（电路与系统专业论文）基于zigbee技术的无线抄表通信系统的设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 0 1 1 1111 11 11 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1il l l ll u l 17 9 7 0 8 5 现行的人工抄表方法给用户和抄表人员带来很多麻烦，采用无线抄表不仅能节 省人力物力，还能提高工作效率。g s m g p r s 无线抄表系统费用过高，不能被人们广 泛接受。本文采用z i g b e e 技术和g p r s 技术相结合的方式，提出了无线抄表系统的 设计思想和总体方案，此方案能很好地解决上下行信道的数据传输问题。采用 c c 2 4 3 0 芯片作为数据采集器硬件系统的核心，为使通信距离更远，增设了功放电路 和低噪声功放电路，着重设计了基于z i g b e e 技术的下行通信信道。在分析z i g b e e 协议栈的基础上，设计了无线抄表系统的组网方案，给出了楼宇集中器和数据采集 器的网络流程，以i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 为软件开发平台，进行了c 语言编程。 通过z i g b e e 节点的软硬件测试，结果表明系统具有一定的接收灵敏度和较为理想 的通信距离，可以满足无线抄表系统下行信道的要求。 关键词：z i g b e e 技术，无线抄表，通信协议，c c 2 4 3 0 芯片 a b s t r a c t t h ec u r r e n tm e t h o do fm a n u a lm e t e r - r e a d i n gb r i n gt h eu s e ra n dt h em e t e r - r e a d i n g w o r k e ral o to ft r o u b l e ，u s i n gt h ew i r e l e s sm e t e r - r e a d i n gc a nn o to n l ys a v em a n p o w e ra n d m a t e d a lr e s o u r c e s b u ta l s oi m p r o v ew o r ke f i i c i e n c y g s m g p r sw i r e l e s sm e t e r - r e a d i n g s y s t e mc a l ln o tb ew i d e l ya c c e p t e db yp e o p l eb e c a u s eo fl l i g hc o s t i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g n i d e aa n dt h eo v e r a l ls o l u t i o no ft h ew i r e l e s sm e t e r - r e a d i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e e t e c h n o l o g ya n dg p r st e c h n o l o g yc o m b i n i n gw e r ep u tf o r w a r d ，w h i c hc a nw e l ls o l v et h e p r o b l e mo fd a t at r a n s m f s s i o nf o r u b l i n ka n d d o w n l i n kc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l c c 2 4 3 0c h i p w a su s e da sac o r ep a r to ft h ed a t ac o l l e c t o rh a r d w a r es y s t e m ，t h ea m p l i f i e rc i r c u i ta n dt h e l o w n o i s ea m p l i f i e rc i r c u i tw e r ed e s i g n e dt oe x p a n dc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e ，t h ep a p e rf o c u s o nt h ed e s i g no ft h ed o w n l i n kc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y t h e w i r e l e s sm e t e r - r e a d i n gs y s t e m sn e t w o r k i n gp r o g r a mw a sd e s i g n e d ，t h en e t w o r kf l o wo ft h e b u i l d i n gc o n c e n t r a t o ra n dt h ed a t ac o l l e c t o rw a sp r e s e n t e d a n db o t ho ft h e mw e r eb a s e do n t h ea n a l y s i so fz i g b e ep r o t o c o ls t a c k t h ep a p e rp r o g r a mi ncl a n g u a g eo nt h ei a r e m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m z i g b e en o d e sc a nm e e tt h ed e m a n d so fw i r e l e s s m e t e r - r e a d i n gs y s t e md o w n l i n kc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lb yh a r d w a r e s o f t w a r et e s t t h er e s u l t o ft e s ts h o w st h a tt h es y s t e mh a v eac e r t a i nr e c e i v e rs e n s i t i v i t ya n dam o r es a t i s f a c t o r y c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e l i ud a n j u a n ( c i r c u i ta n ds y s t e m ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o r ：l i a n gg u a n g s h e n g k e yw o r d s ：z i g b e et e c h n o l o g y , w i r e l e s sm e t e r - r e a d i n g ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ， c c 2 4 3 0 c h i p 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 选题背景和意义j 1 1 2 国内外研究动态1 1 3 论文的主要工作3 第二章无线抄表系统总体方案的设计4 2 1 系统的功能定义与描述4 2 2 无线技术方案的比较分析5 2 2 1 几种无线抄表技术的比较分析5 2 2 2 几种z i g b e e 解决方案的比较分析6 2 3 总体方案的设计7 2 3 1 通信协议7 2 3 2 无线抄表系统的主要功能模块8 2 4 系统开发工具8 第三章数据采集器节点的硬件系统设计9 3 1z i g b e e 网络节点芯片的原理结构和工作过程的分析9 3 1 1c c 2 4 3 0 芯片的原理结构和特点9 3 1 2c c 2 4 3 0 芯片内部的无线收发过程1 1 3 2 数据采集器节点的硬件系统总体设计1 2 3 3 数据采集器节点各功能模块的设计：i ：。：2 ：1 3 3 3 1c c 2 4 3 0 主控模块的设计1 3 3 3 2 无线收发模块的设计1 4 3 3 3 数据采集与存储模块的设计1 6 3 3 4 天线的设计1 6 3 3 5 电源模块的设计1 7 3 3 6 复位电路的设计1 7 3 3 7 串行通信模块的设计1 8 3 3 8 配置与调试模块的设计1 9 3 4 数据采集器射频电路的设计1 9 3 4 1p c b 板的特殊设计规则1 9 3 4 2 射频电路5 0 欧姆微带线的处理2 0 3 4 3 网络节点的p c b 图2 1 华北电力大学硕士学位论文 第四章软件系统设计 4 1z i g b e e 协议栈的分析 4 1 1 物理层( p h y ) 4 1 2 介质接入控制层( m a c ) 4 1 3z i g b e e 网络层( n w k ) 4 1 4z i g b e e 应用层 4 1 4 1z i g b e e 应用支持子层( a p s ) 4 1 4 2z i g b e e 设备对象( z d o ) 4 1 4 3z i g b e e 应用层的重要概念 4 2 无线抄表系统的组网方案设计： 4 2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 网络体系结构 4 2 2 组网管理 4 2 3 楼宇集中器的组网流程 4 2 4 数据采集器节点的网络流程 第五章软硬件系统的联合调试 5 1 数据采集器节点的硬件调试 5 2 软件开发环境与软件调试 5 2 1 软件开发环境 5 2 2 串口调试 5 3z i g b e e 节点的测试 5 3 1 测试条件和工具 5 3 2 电气性能测试 5 3 3 硬件接口测试 5 3 4 无线通信功能测试 第六章总结和展望 参考文献 致谢 在学期间发表的学术论文和参加科研情况 2 3 2 3 2 3 2 4 2 5 2 6 2 6 2 7 2 7 2 8 2 8 3 0 3 3 3 4 3 6 3 6 3 6 3 6 3 7 3 9 4 0 4 0 4 0 4 0 4 2 4 3 4 6 4 7 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第一章引言 随着科学技术的进步，特别是计算机技术、通信技术、超大规模集成电路技 术、测量技术的飞速发展，人们对生活、家居条件的智能化水平要求越来越高，将 室内用户计量仪表中数据通过无线方式发送到集抄中心成为人们追求的目标。水、 电、气、热等公共事业管理部门也希望新技术的应用能解决长期困扰他们的抄表难、 收费难等问题，从而实现节省人力、方便用户及提高管理水平的目的。 由于无线抄表系统涉及到千家万户，其本身的成本直接影响系统的普及和用户 的接受程度，低成本【l 】便成为衡量该系统成功与否的重要因素。无线抄表系统传输 的用户家里表计上的数据和用电控制中心的命令要准确无误，无线网络要有自我修 复功能，因此可靠性高也是对无线抄表系统的一个重要要求，包括数据采集的可靠 性、数据传输的可靠性和信号抗干扰等。大部分的家用电表采用电池供电，因此无 线抄表系统的设计必须是低功耗的。无线抄表系统要安装简单、便于故障检测，其 节点不仅作为用量的读取，还担负起检测设备正常运行的功能，在出现故障时能及 时将错误的原因通过液晶显示、系统报警等方式通知用户。 在无线技术方面，z i g b e e 技术恰好能满足对无线抄表系统低成本、高可靠性、 低功耗、安装简单、便于故障检测等要求。z i g b e e 是i e e e8 0 2 1 5 4 技术的商业名 称，是一个针对短距离无线网路的技术规范。该技术的核心由2 0 0 0 年1 2 月成立的 i e e e8 0 2 1 5 4 工作组制定，高层应用、互联互通测试和市场推广由2 0 0 2 年组建的 z i g b e e 联盟负责。z i g b e e 联盟由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩 托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等组成，已经吸引了上百家芯片公司、无线 设备开发商和制造商的加入。 z i g b e e 技术由于z i g b e e 协议栈复杂度低且免收z i g b e e 协议专利费，使得 z i g b e e 模块成本很低。z i g b e e 数据传输率低，工作在较低的频段上且具有休眠待 机模式，使z i g b e e 模块的整体功耗非常低。完整协议的z i g b e e 模块具有自动路由 和自组网功能，z i g b e e 终端节点可自动接入z i g b e e 网络。因其独特的技术特点， z i g b e e 技术填补了低成本、低功耗和低速率的无线通信市场的空白。因此，提出了 基于z i g b e e 技术设计无线抄表通信系统的课题进行研究。 1 2 国内外研究动态 在美国、加拿大、日本和西欧等一些发达国家和地区都广泛采用无线抄表系统 代替传统的人工抄表，尤其是煤气表的无线抄表，己经有几十年的发展历史。在一 华北电力人学硕+ 学位论文 些发达国家已实现了抄表自动化和银行联网付费的功能。如今无线抄表系统已达到 可以大规模推广的实用化阶段。8 0 年代中期以来，美国在自动抄表技术的开发和应 用上就已取得长足进步。在科罗拉多州丹佛市，一家公用事业企业( p u b l i cs e r v i c e c o ) 将7 7 万余台电表和6 7 万余台煤气表实现了自动抄表，成为当时美国推广应用 量最大的一家公司。1 9 9 4 年1 0 月美国电世界摘要介绍c h a r t w e l l 公司对北美 2 2 个电力公司和3 1 个产品供应商的调查结果也指出：北美( 主要指美国和加拿大) 在1 9 9 4 年初就已装了3 1 4 ，0 6 3 块具有自动抄表功能的电度表，安装了1 9 7 ，3 7 7 个 自动抄表单元。“1 9 9 8s c o tr e p o r to na m rd e p l o y m e n t 资料披露，1 9 9 8 年美 国共有7 9 1 项无线抄表应用项目，其中约有5 5 0 万台电表实现了无线抄表。到2 0 0 1 年已经有9 1 百万美元的营业额。在s c o t 报告中，截止到2 0 0 3 年1 月，北美已经 有4 9 ，3 1 l ，3 7 2 个单位使用无线抄表。能生产无线抄表设备的表具制造公司有英国 的d r e s s e ri n d u s t r i e s 、法国的m a g n o l 、德国的s c h l u m b e r g e r 、意大利的m e t r u m o 。 美国于1 9 8 6 年就建立了自动抄表研究协会，每一年半左右开一次国际性年会，每 次年会都有专题报道，旨在进一步发展和推广无线抄表技术u j 。近年来欧洲自动抄 表技术协会和英国自动抄表技术协会也相继成立。各种形式的无线抄表系统和各种 新的无线抄表技术不断推陈出新，推动着整个无线抄表技术行业的发展。 我国国内所采用的抄表方式大致可以分为三种：一是传统的人工抄表方式，抄 表人需到用户处读取数据，返回总局后将数据重新输入电脑进行处理。二是预付费 方式，抄表人无需到用户处，用户通过银行划拨收费或到仪表管理部门购买磁卡、 i c 卡等，按购买额提供用量，完成收费工作。三是远程抄表方式，监控中心通过远 程通信系统( 如公用电话网、电力线载波、数据网等) 自动获取远程仪表数据的方式。 基于z i g b e e 的无线抄表在国内外也成为研究热点。中科院、清华大学、浙江 大学、重庆大学等在国内较早开展了z i g b e e 无线抄表的研究。2 0 0 8 年5 月2 9 日， a d s p 实验室首个校企合作项目一基于z i g b e e 技术的自动抄表系统，在广州杰赛公 司总部顺利通过验收。 尽管国内不少人和单位已经开始关注z i g b e e 技术，然而，由于z i g b e e 是一种 新的系统集成技术，应用软件的开发必须同网络传输、射频技术和底层软硬件控制 技术结合在一起，因而其应用开发不是一件容易的事情。到目前为止，国内除成都 无线龙等几家公司外，有关z i g b e e 开发的公司还很少；但可喜的是，随着无线龙 的z i g b e e 各系列实用开发系统推向市场，目前各大高校以及公司相继加入到了 z i g b e e 开发行列中。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 3 论文的主要工作 本文的主要工作是在家用电表的基础上添加z i g b e e 无线射频模块，设计出一 种具有无线特征的远程自动抄表系统。通过该系统把一栋楼内所有用户的电表数据 采集并传送到z i g b e e 网络的集中器节点，再由集中器节点通过无线方式传到用电 控制中心。 论文重点研究和设计无线抄表系统的下行通信系统，即采用z i g b e e 技术实现 用户电表的数据在数据采集器和集中器之间传输。( 1 ) 研究适应电抄表系统的 z i g b e e 网络，其包括i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 网络体系结构、组网管理、原语概念、 新网络建立、设备加入网络、设备离开网络等；( 2 ) 数据采集器节点的硬件系统设 计，其包括主控制模块、无线收发模块、数据采集模块、电源模块、复位电路、天 线、串行通信模块、调试与配置模块等设计；( 3 ) 研究数据采集器节点和楼宇集中 器节点的网络组网问题。 论文工作的难点是：( 1 ) 射频电路的设计：( 2 ) z i g b e e 无线网络的组网问题。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章无线抄表系统总体方案的设计 本章主要论述了无线抄表系统的功能，比较分析了无线技术方案，从通信方案、 开发环境、系统的软硬件平台等方面，确定了系统的总体设计方案。 2 1 系统的功能定义与描述 图2 1抄表系统的总体框图 无线抄表系统的总体框图如图2 1 所示。它要能够实现各用户居民电表数据的 自动抄写和存储，并且能够统一上传到小区物业公司的服务器，以便进行统计结算。 这样就可以省去挨家挨户的抄表工作，也有利于电力公司实现数据的统计分析和结 算，缩短缴费周期，节约人力物力。无线抄表系统的具体功能如下： ( 1 ) 用户数据采集器能采集到电能表的脉冲信号，将脉冲信号进行处理并存储； 能接收楼宇集中器的指令，并根据其指示将数据上传或路由到其它数据采集器中。 ( 2 ) 楼字集中器可以定时或实时地对下辖的采集器进行数据抄收并存储。当上级 设备一用电控制中心计算机调用数据时，则将所存储的数据打包送上。用电控制中 心计算机可以通过集中器对采集器进行各种操作。 ( 3 ) 无线抄表系统的组网和网络维护应该实现全自动，无须人工干预。任何一个 节点在上电工作后都能够自动搜索并加入到网络，即自组网功能。任何一个节点因 为某种原因离开网络时，想通过该节点转发数据的节点能够找到新的数据转发路 径，该节点的离开不会对整个网络的电表数据采集产生影响，即网络有自动愈合功 能。 4 华北电力大学硕十学位论文 2 2 无线技术方案的比较分析 2 2 1 几种无线抄表技术的比较分析 目前的无线抄表系统，从数据传输角度可分为有线和无线两大类。这两大类抄 表系统各有其适用的应用领域，但从投资、建设、维护等方面考虑，无线抄表系统 相比有线抄表系统具有诸多优点，如：成本廉价、建设工程周期短、适应性好、扩 展性好、设备维护容易等。无线抄表系统可以基于不同的技术来实现，如：z i g b e e 技术、g p r s c d m a 数字蜂窝技术、w l a n ”1 技术等，如表2 - 1 所示。 表2 - 1 常用的3 种无线抄表技术 比较项目 z i g b e e g p r s c d m aw l a n 网络使用2 4 g h z 免费频段，无使用费需要使用费免费频段，无使用费 一 设备功耗 极低向 高 网络规模容量很大 6 5 5 3 6 1 至3 2 传输距离l 一1 0 0 0 米远距离l 一5 0 米 传输带宽 2 5 6 k1 2 8 k1 1 m 技术优点成本低，功耗低，网络容量大，覆盖范闱广，适合远数据速率高 网络安全性高距离传输 在选择无线抄表技术时，必须重点关注以下几个因素：( 1 ) 使用成本。g p r s c d m a 数据传输需要付费，对于家庭电抄表来说，系统的运行成本很高【4 】。( 2 ) 网络的自 管理能力。采用无线数传模块，除了数据轮询时间随节点数增加而线性增加外，所 组建的无线网络的自管理功能非常有限，增加或者减少节点，都需要人工去修改相 应的数据库配置；节点出现故障，也常常需要人工去诊断等。( 3 ) 功耗问题。抄表 终端的供电问题难以很好地解决，抄表终端就必须做到低功耗。 若采用z i g b e e 技术和g p r s 技术相结合的方式，就可以为无线抄表系统提供很 好的解决方案。对于每个抄表终端而言，要求超低功耗、低成本( 包括设备成本、 运行成本) ，并且数据的传输速率不高。居民小区的抄表终端通常分布较密集、距 离较近，利用z i g b e e 技术可以很好地满足其组网要求。所构建的z i g b e e 网络既可 以是树形拓扑，也可以是网状网络拓扑。抄表终端到用电公用事业公司控制中心的 数据传输，可以利用g p r s 网络技术。g p r s 无距离限制，无需网络规划，几乎不需 要维护。 采用z i g b e e 技术构建无线抄表系统的下行通信信道，具有很多优点。 ( 1 ) z i g b e e 标准基于8 0 2 1 5 4 协议栈而建立，具备强大的设备组网功能，它支 持星型网络、网状网络( m e s h ) 和树状网络( c l u s t e rt r e e ) 等三种主要的自组织无线 5 华北电力大学硕士学位论文 网络类型。网络自组织功能强，无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在， 并确定连接关系，组成结构化的网络。z i g b e e 自愈功能强，增加或者删除一个节点， 节点位置发生变动，节点发生故障等，网络都能自我修复，并对网络拓扑结构进行 相应调整，保证整个系统仍能正常工作。具备自组织、自愈能力的无线通信网络才 是无线抄表系统最理想的通信方式。 ( 2 ) z i g b e e 设备十分省电。系统可以采用多种节电工作模式，确保两节五号电 池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间。 ( 3 ) 具有安全有效的数据防碰撞机制。为了有效防止数据丢失，可以采用载波 侦听多点接入避免冲撞c s m a c a 的机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留专用 时隙，以避免发送数据时的竞争和冲突；为了避免高频信号的干扰，采用d s s s 直 接序列扩频技术，有1 6 个信道自由选择；m a c 层采用完全确认的数据传输机制，每 个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。 ( 4 ) z i g b e e 设备复杂程度低，且z i g b e e 协议是免专利费的，这可以有效地降低 设备成本；z i g b e e 工作频段灵活，为免执照频段的2 4 g h z 。 ( 5 ) 网络容量大，一个z i g b e e 网络可以容纳最多2 5 4 个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在2 0 0 多个z i g b e e 网络。 ( 6 ) 数据安全，z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 a e s - 1 2 8 ，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 2 2 2 几种z ig b e e 解决方案的比较分析 目前市场上存在的z i g b e e 解决方案有以下几种【5 】。 1 f r e e s e a l e 的m c l 3 1 9 1 、m c l 3 1 9 2 和m c l 3 1 9 3 平台 这三个平台于2 0 0 5 年1 2 月已经全部量产。m c l 3 1 9 1 对应低成本应用，通过 f r e e s c a l e 提供的软件，用户可以组建简单的星状网络。m c l 3 1 9 2 可以满足用户组 织自己非标准网络的需要，f r e e s c a l e 提供符合i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 软件，基于它 用户可以建立自己的复杂网络。m c l 3 1 9 3 是z i g b e e 产品，提供i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 软件，再加上z i g b e em a c 软件z s t a c k ，用户可以建立起z i g b e e 网络。其特点是射 频模块和控制器模块相互独立，控制器是一个8 位低功耗单片机。 2 e m b e r 的e m 2 5 0 z i g b e e 系统晶片和e m 2 6 0 网络处理器 它们均嵌入了e m b e r 的e m b e r z n e t - - 第二代z i g b e e 通讯协议，专为使用网状、 星状及树形等多种网络形态而设的自动组网和自动重构的无线网络。 3 j e n n i c 的j n 5 1 2 1 芯片 它是一个3 2 位r i s c 处理器，是一个已经量产的全集成、单芯片z i g b e e 解决 方案。单个芯片就可以构成标准的z i g b e e 终端产品，因此可以在很大程度上降低 产品成本，缩短新产品的上市时间。 6 华北电力人学硕十学位论文 4 c h i p c o n 的c c 2 4 2 0 和c c 2 4 3 0 芯片 c c 2 4 2 0 是c h i p c o n 公司推出的首款符合2 4 g h zz i g b e e8 0 2 1 5 4 标准的射频 收发器。它基于c h i p c o n 公司的s m a r t r f 0 3 技术，以0 1 8 u m c m o s 工艺制成，性能 稳定且功耗极低，构成系统时只需很少的外部元器件。c c 2 4 2 0 的选择性和敏感性指 数超过了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用 此芯片开发的无线通信设备的数据传输率高达2 5 0 k b p s ，可以实现多点对多点的快 速组网。 c c 2 4 3 0 芯片沿用了以往c c 2 4 2 0 芯片的架构，在单个芯片上整合了z i g b e e 射 频( r f ) 前端、内存和微控制器。它包含1 个8 位8 0 5 1 m c u 、1 2 8k b 可编程闪存和8k b 的r a m 、模数转换器( a d c ) 、几个定时器( t i m e r ) 、a e s l 2 8 协同处理器、看门狗定 时器( w a t c h d o gt i m e r ) 、3 2k h z 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路( p o w e ro n r e s e t ) 、掉电检测电路( b r o w no u td e t e c t i o n ) 和2 1 个可编程i o 引脚。 综合考虑无线抄表系统的需求、搭建开发调试环境的复杂程度，本文选择了 c h i p c o n 公司的c c 2 4 3 0 。 2 3 总体方案的设计 采用z i g b e e 技术和g p r s 技术相结合的方式设计无线抄表系统，其总体方案的设 计如图2 1 所示。底层通信协议采用z i g b e e 协议，实现底层采集器与集中器间的数 据通信；上层通信协议采用g p r s 协议，实现集中器与用电控制中心之间的数据传输。 2 3 1 通信协议 无线电抄表系统对数据传输速率要求不高，电量信息的数据比较少，而其网络 节点比较多，对低成本和低功耗的要求又比较高。相对于蓝牙和g p s 等已经比较成 熟的底层通信协议，z i g b e e 具有低速率、网络可容纳的节点数多、低成本、低功耗 的特点，完全能够适应无线电抄表系统的需要，因此，采用z i g b e e 协议作为底层 通讯协议。 上层通信协议采用g p r s 协议，具有很多优点。 ( 1 ) 相对低廉的连接费用 g p r s 用户的计费以通信数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少 的 原则。g s m 按连接时间计费，g p r s 按数据流量计费，g p r s 对于网络资源的利用率远 远高于g s m 。 ( 2 ) 传输速率高 g s m 的访问速度是9 6 k b p s ，g p r s 拥有1 7 1 2 k b p s 的最高访问速度，g p r s 可提 供高达1 1 5 k b i t s 的传输速率。 7 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 接入时间短 在连接建立时间方面，g s m 需要1 0 3 0 秒，而g p r s 只需要极短的时间就可访问 到相关请求。g p r s 主要是在移动用户和远端的数据网络( 如支持t c p i p 、x 2 5 等网络) 之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线i p 和无线x 2 5 业务。 2 3 2 无线抄表系统的主要功能模块 1 用户数据采集器 在抄表系统中，用户数据采集器就是一个个的网络终端设备，负责采集用户电 表上的数据，并把采集到的数据上传到楼宇集中器或路由到其它数据采集器，终端 也负责接收楼宇集中器的指令。因此数据采集器不仅能和楼宇集中器通信，还能和 其它的数据采集器通信。 2 楼宇集中器 它是z i g b e e 网络中所有数据的总集中器，是网络协调器。集中器收集所有数 据采集器发过来的信息，可接收控制中心的命令，向用户数据采集器发送数据采集 请求、接收数据、存储数据，可通过g p r s 网络将数据传送到用电控制中心。 3 转换器 它一方面要通过z i g b e e 网络与用户数据采集器通信，另一方面通过g p r s 与用 电控制中心的计算机通信，因此转换器要有协议转换功能，负责z i g b e e 通信协议 与g p r s 通信协议之间的转换。它要实现z i g b e e 网络和i n t e r n e t 网络的互联，实 现z i g b e e 网络数据的上传和p c 机指令的下达。可以选用s i m c o m ( 希姆) 推出的 g s m g p r s 三频通讯模块s i m l 0 0 ，它集成了完整的射频电路和g s m 基带处理器，内 嵌了t c p i p 协议栈，g p r s 通讯模块与协调器间通过串行口进行通信，通信速率高 达1 1 5 2 0 0b s 。 2 4 系统开发工具 1 z i g b e e 无线单片机开发系统 选用z i g b e e 8 0 2 1 5 4 多功能可视化无线网络开发系统c 5 1 r f 一3 一p k ，它通过 u s b 口连接到p c 机，无需其他直流电源供电。 2 i a r 7 2 0 以上c 5 1 软件开发环境 3 c a d e n c e p r o t e l 9 9 设计软件 4 z i g b e e 8 0 2 1 5 4 无线协议分析仪器 选用低成本的c 5 1 r f - 3 - f 型z i g b e e 8 0 2 1 5 4 无线协议分析仪器，它用于分析 无线传输数据包，便于无线网络的测试。 8 华北电力人学硕十学位论文 第三章数据采集器节点的硬件系统设计 无线抄表系统的用户数据采集器和楼宇集中器是本文设计的重点。它们都属于 z i g b e e 网络中的全功能设备( f f d ) 节点【6 】，负责与所控制的子节点通信、汇聚数 据和发布控制，或起到通信路由的作用。z i g b e e 网络中的设备分为全功能设备( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和简化功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 两种【_ 7 1 ， f f d 设备可作为协调器( c o o r d i n a t o r ) 使用。f f d 是具有路由与中继功能的网络节点， 可以与r f d 节点通信也可以与其它f f d 节点通信。r f d 节点作为网络终端节点，相 互间不能直接通信，只能通过f f d 节点发送和接收信息，不具有路由和中继功能。 r f d 和f f d 的硬件结构完全相同，只是网络层不一样。由于用户数据采集器和楼宇 集中器的硬件结构几乎完全相同，因此，本文只讨论用户数据采集器节点的硬件系 统设计。 本章首先分析了射频芯片c c 2 4 3 0 的结构特点、各引脚功能及内部无线收发过 程。然后给出了节点的硬件系统设计方案，详细设计了c c 2 4 3 0 主控模块、无线收 发模块、数据采集模块、电源模块、复位电路、天线、串行通信模块、调试与配置 模块。最后进行了射频电路的设计。 3 1z ig b e e 网络节点芯片的原理结构和工作过程的分析 3 1 1c c 2 4 3 0 芯片的原理结构和特点 c c 2 4 3 0 芯片沿用了c c 2 4 2 0 射频芯片的架构，在单个芯片上整合了z i g b e e 射频 ( r f ) 前端、内存和微控制器。c c 2 4 3 0 内含一个8 位8 0 5 1 m c u 内核，采用0 1 8um c m o s 工艺生产。工作时的电流损耗为2 7 m a ：在接收和发射模式下，电流损耗分别低于 2 7 m a 或2 5 m a 。c c 2 4 3 0 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性，特别适合那 些要求电池寿命非常长的应用场合。 1 c c 2 4 3 0 芯片的主要特点l 6 1 高性能和低功耗的8 0 5 1 微控制器核； 集成符合i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的2 4g h z 的r f 无线电收发机； 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性； 在休眠模式时仅0 9 1 ta 的流耗，外部中断或r t c 能唤醒系统；在待机模式 时少于0 6 ua 的流耗，外部中断能唤醒系统； 硬件支持c s m a c a 功能； 较宽的电压范围( 2 0 - - 3 6 v ) ； 支持数字化的r s s i l q i ； 9 华北电力大学硕十学位论文 具有强大的d m a 功能； 具有电池监测和温度感测功能； 集成了1 4 位模数转换器： 集成a e s 安全协处理器； 带有2 个强大的支持几组协议的u s a r t ，以及1 个符合i e e e8 0 2 1 5 4 规范 的m a c 计时器，1 个常规的1 6 位计时器和2 个8 位计时器； 强大和灵活的开发工具。 2 c c 2 4 3 0 芯片的引脚功能例 c c 2 4 3 0 芯片采用7 m m x7 m m q l p 封装，共有4 8 个引脚。全部引脚可分为i o 引脚、 电源引脚和控制引脚三类。 ( 1 ) i o 端口的引脚功能 c c 2 4 3 0 有2 1 个可编程的i o 口引脚，p 0 、p 1 口是完全的8 位口，p 2 口只有5 个可使用的位。通过软件设定一组s f r 寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常 的i o 口或作为连接a d c 、计时器或u s a r t 部件的外围设备i o 口使用。 i 0 口有下面的关键特性： 可设置为通常的i o 口，也可设置为外围i o 口使用； 在输入时有上拉和下拉能力； 全部2 1 个数字i o 口引脚都具有响应外部中断的能力。如果需要外部设备， 可对i o 口引脚产生中断，同时外部中断事件也能被用来唤醒休眠模式。 i - 一6 脚( p 1 2 p 1 7 ) ：具有4 m a 输出驱动能力。 8 ，9 脚( p 1 0 ，p 1 j ) ：具有2 0 m a 的驱动能力。 1 1 8 脚( p o o 一- p o 一7 ) ：具有4 m a 输出驱动能力。 4 3 、4 4 、4 5 、4 6 、4 8 脚( p 2 4 ，p 2 3 ，p 2 2 ，p 2 _ 1 ，p 2 0 ) ：具有4 m a 输出驱 动能力。 ( 2 ) 电源线引脚功能 7 脚( d v d d ) ：为i o 提供2 0 3 6 v 工作电压。 2 0 脚( a v d d s o c ) ：为模拟电路连接2 0 - 3 6 v 的电压。 2 3 脚( a v d d r r e g ) ：为模拟电路连接2 0 3 6 v 的电压。 2 4 脚( r r e g o u t ) ：为2 5 ，2 7 3 l ，3 5 4 0 引脚端口提供1 8 v 的稳定电压。 2 5 脚( a v d d i f l ) ：为接收器波段滤波器、模拟测试模块和v g a 的第一部分电 路提供1 8 v 电压。 2 7 脚( a v d dc h p ) ：为环路滤波器的第一部分电路和充电泵提供1 8 v 电压。 2 8 脚( v c o _ g u a r d ) ：v c o 屏蔽电路的报警连接端口。 2 9 脚( a v d d j c o ) ：为v c o 和p l l 环路滤波器最后部分电路提供1 8 v 电压。 3 0 脚( a v d d p r e ) ：为预定标器、d i v 2 和l 0 缓冲器提供1 8 v 的电压。 1 0 华北电力人学硕十学位论文 3 1 脚( a v d d r f l ) ：为l n a 、前置偏置电路和p a 提供1 8 v 的电压。 3 3 脚( t x r x s w i t c h ) ：为p a 提供调整电压。 3 5 脚( a v d d s w ) ：为l n a p a 交换电路提供1 8 v 电压。 3 6 脚( a v d d r f 2 ) ：为接收和发射混频器提供1 8 v 电压。 3 7 脚( a v d d i f 2 ) ：为低通滤波器和v g a 的最后部分电路提供1 8 v 电压。 3 8 脚( a v d d a d c ) ：为a d c 和d a c 的模拟电路部分提供1 8 v 电压。 3 9 脚( d v d d _ a d c ) ：为a d c 的数字电路部分提供1 8 v 电压。 4 0 脚( a v d d d g u a r d ) ：为隔离数字噪声电路连接电压。 4 1 脚( a v d d d r e g ) ：向电压调节器核心提供2 0 - - 3 6 v 电压。 4 2 脚( d c o u p l ) ：提供1 8 v 的去耦电压，此电压不为外电路所使用。 4 7 脚( d v d d ) ：为i 0 端口提供2 0 3 6 v 的电压。 ( 3 ) 控制线引脚功能 1 0 脚( r e s e t n ) ：复位引脚，低电平有效。 1 9 脚( x o s c _ q 2 ) ：3 2 m h z 的晶振引脚2 。 2 1 脚( x o s c 0 1 ) ：3 2 m h z 的晶振引脚1 ，或外部时钟输入引脚。 2 2 脚( r b i a s l ) ：为参考电流提供精确的偏置电阻。 2 6 脚( r b i a s 2 ) ：提供精确电阻，4 3 k q ，1 。 3 2 脚( r f p ) ：在r x 期间向l n a 输入正向射频信号；在t x 期间接收来自p a 的输入正向射频信号。 3 4 脚( r f n ) ：在r x 期间向l n a 输入负向射频信号；在t x 期间接收来自p a 的输入负向射频信号。 4 3 脚( p 2 4 x o s c 一0 2 ) ：3 2 7 6 8 k h zx o s c 的2 3 端口。 4 4 脚( p 2 4 x o s c q 1 ) ：3 2 7 6 8 k h zx o s c 的2 4 端口。 3 1 2c c 2 4 3 0 芯片内部的无线收发过程 数据采集器节点的无线收发过程是由c c 2 4 3 0 内部的射频芯片实现的【l 们， c c 2 4 3 0 芯片结构如图3 - 1 所示。其射频( r f ) 输