基于GPRS网络和ZigBee无线通信技术的无线抄表系统设计

电子设计 2018-11-21 4569

描述

引言

随着城市居民住宅建设日益发展，抄表计量也日趋复杂。传统的手工抄表方式费时、费力，准确性和及时性都得不到保障，已经不适应社会的发展需求。虽然目前自动抄表系统的研制开发在我国有着强劲的发展势头，但实际应用的自动抄表系统的通信介质大多都采用总线方式。目前，国内比较流行的是RS一485总线，其复杂的布线不仅会对用户家中的装修造成很大的破坏，而且也使得系统调试和维护困难重重，这在很大程度上影响了自动抄表系统的推广和应用，所以迫切需要寻求一种无线的解决方案。

对此，本文提出了一种基于GPRS网络和ZigBee无线通用技术的无线抄表系统技术方案。此方案不仅能满足远程自动抄表系统的迫切需要，促进抄表系统自动化的发展，而且在科研上提出了一种新的设计思想，即将ZigBee技术和GPRS通信技术相结合。

1 系统总体结构设计

抄表系统整体由监控中心站、GPRS无线数传终端DTU（data transfer unit）和数据采集终端三大部分构成。其中，监控中心站主要由监控中心计算机、企业内部局域网（Intranet）和数据库服务器等外围设备组成；GPRS无线数传终端由MSP430F149单片机及外围电路和Motorola公司生产的G24无线通信模块两部分组成；数据采集终端采用的是Chipcon公司生产的CC2430产品。系统基于ZigBee技术进行收发信号，通过ZigBee终端节点进行采集数据，然后经ZigBee总结点协调器将采集的数据传给DTU，最后通过GPRS网络传给监控中心。无线抄表系统总体结构如图1所示。

ZigBee

图1 系统总体结构图

2 系统硬件设计

2.1 数传终端硬件设计

GPRS数传终端DTU是数据采集端与监控中心之间数据传输的桥梁。通过GPRS网络，现场数据能够及时传送到监控中心计算机中，同样，监控中心的查询或控制命令也可以通过GPRS网络发送给采集终端。数传终端的主要功能有：① 数据的存储、转发和遇错重发ARQ（automatic repeat—request）；② 为监控中心和数据采集端建立一个透明的连接；③ 数据传输过程中可使用密匙检验。

数传终端主要由GPRS无线数传模块、数据通信接口、串行存储模块、微处理器（MCU）、电源模块及JTAG接口与复位模块组成。其硬件框图如图2所示。

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图2 数传终端的硬件结构框图

系统设计时，考虑所要实现的任务、性价比和片内资源等问题，选择TI公司的MSP430F149作为系统的中央处理器。TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们根据不同的应用而由各种不同的模块组成。其中MSP430F149是一款片内带Flash存储器的MSP430单片机。它具有16位RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数发生器使其能达到最高的代码效率；灵活的时钟源可以使器件功率消耗降至最低；数字控制的振荡器DCO（digital control oscillator）可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6 uS的时问内激活到活跃的工作方式。

GPRS无线通信模块选用的是Motorola公司生产的G24模块。G24模块是一款高速的GSM／GPRS／EDGE模块，支持850／900／1 800／1 9OO MHz四种频率，所在频段功耗分别为2 w（850／900 MHz）和1 w（1 800／1 900 MHz）；自动波特率范围为300 bit／s～115 kbit／s，由标准的AT指令控制。G24模块通过一个70 PIN、0.5 mm间距的表面安装插座和应用电路板相连，其外围电路主要由供电电路、SIM卡接口电路和串行口电路等几大部分组成。

MSP430F149有USART 和USART 两个串行通信模块，分别与G24模块和ZigBee网络总结点协调器进行通信；使用了Flash存储器，存储器有主存储器段和信息段两种类型，应用程序存储在主存储器段，数传终端的设置信息通过对Flash信息段的编程和擦除写入；其余的通用I／O端口分别实现数传终端的各种控制和传输功能。

2.2 数据采集端硬件设计

ZigBee技术是一种新的短矩离无线通信技术，它具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的特性。由于整个抄表系统采集的数据量小，对传输速率要求不高，且现场由电池供电，因此，ZigBee技术符合此要求。ZigBee网络包含三种类型的节点，即协调器zc（ZigBee coordinator）、路由器ZR（ZigBee router）和终端设备ZE（ZigBee end device）。其中，协调器和路由器均为全功能设备FFD（full function device），而终端设备选用精简功能设备RFD（reduced function de—vice）。

CC2430是一个真正的系统芯片（SoC）COMS解决方案，这种解决方案能够提高数据采集终端的性能，并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求。它包括了1个高性能的2.4 GHz直接序列扩频DSSS（direct sequence spread spectrum）射频收发器核心和1个工业级小巧高效的80.51控制器，在单个芯片上集成了ZigBee射频RF（radio fre.

quency）前端、内存和微控制器；具有2／64／128 kB可编程闪存和8 kB的RAM，还包括ADC、定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和21个可编程I／O 引脚，可实现节点的微型化。

CC2430无线单片机功耗非常低，待机时电流消耗仅为0.2 A，在32 kHz晶体时钟下运行时，电流消耗也小于1 A，使用小型电池寿命可以长达10年。节点硬件框图如图3所示。

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图3 节点硬件设计框图

为了实现网络的硬件基础架构，将硬件设计分为无线收发模块和无线测试模块两大部分。无线收发模块电路包括CC2430芯片及其相关外围电路。由于CC2430将8051内核与无线收发模块集成到一个芯片当中，简化了电路的设计过程，省去了对单片机与无线收发芯片之间接口电路的设计，缩短了研发周期。无线测试模块电路主要有测试电路、JTAG电路、供电电路和串口转换电路四部分，它为实现节点程序的下载、在线调试、开关与LED指示灯模拟测试、节点信息数据以及网络数据传输提供硬件接口。

3 系统软件设计

3.1 数传终端软件设计

系统采用c语言作为开发工具，软件开发环境为广泛应用的MSP430开发软件IAR集成开发环境，包括IAR嵌入式工作台（embedded workbench）和C—SPY调试器。在此，系统重点解决监控中心与数据采集终端的通信问题，采用GPRS无线通信模块G24实现两者的数据通信，监控中心采用个人PC机，GPRS无线通信模块G24通过AT指令来进行控制，数据传输采用内置TCP／IP发送数据。

数传终端软件设计部分可分为初始化模块、数据发送处理模块、数据接收处理模块、数据存取模块和串口中断等。主程序流程图如图4所示。

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图4 主程序流程示意图

主程序的任务是将几个功能模块联结成一个整体，处理各个功能模块之间的调度任务，实现系统的稳定高效运行。主程序首先完成整个系统的初始化设置，包括单片机的初始化和G24模块的初始化；然后通过AT+MIPCALL指令控制G24模块建立GPRS网络连接，如果GPRS网络能正常登录即模块成功获得一个动态分配的IP地址，则通过AT+MIPOPEN指令控制模块建立一个和远端服务器（即监控中心服务器）的Socket连接。数传终端和监控中心服务器成功建立联系后，系统进入主循环，主程序在主循环中通过查询各功能标志来判断是否需要进入相应的模块进行处理。各个模块在完成各自的任务后通过改变标志的方式通知主程序可以继续执行下一步工作。

3.2 数据采集端软件设计

数据采集端的软件设计主要包括协调器ZC节点软件设计和终端设备ZE节点软件设计。协调器通过串口RS-232和数传终端相连，并将各终端节点采集的数据通过数传终端传给监控中心。由于实际情况中采集的数据是各用户的用表数据，所以监控中心必须要对监测区域有宏观的把握，即将数据和各用户对应起来。这就需要每个终端设备节点在加入网络后把网络地址发送给协调器，协调器收到终端节点的网络地址后建立地址表并存储起来，以便采集数据时依据地址表来采集每个终端节点的数据。协调器节点和终端设备节点软件设计流程总图如图5所示。

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图5 协调器和终端节点程序流程总图

3.3 系统软件实现方案

当终端节点成功加入网络后，各节点会按照人网先后顺序自动获得一个网络地址，并将网络地址发给协调器。当协调器收到信息时，根据数据的第一个标志字符来判断是终端节点的网络地址还是节点采集的数据。若是网络地址，则把该网络地址存储在地址表里，然后把网络地址通过串口发送给数传终端，经数传终端传给上位机，由上位机作进一步处理；若是节点采集的数据信息，需要把该数据存到临时数组里，依据地址表采集下一个节点的数据信息，当整个监测区域的节点数据采集完毕后，根据临时数组里的数据作融合，并把最终结果传给监控中心。同时，在监控中心的上位机中建立一个数据库，分别将各节点的地址和该节点采集的数据一一对应起来，这样就实现了各用户用表数据的准确抄读。

4 结束语

基于GPRS无线通信技术的远程自动抄表系统，结合基于ZigBee技术的数据采集设备，改变了以往全人工抄表的模式，从本质上提高了抄表人员的工作效率和准确率；集中抄表范围广且安装、维护方便，不需要进行专门布线，同时可对表具设备进行远程控制、参数调整和开关等控制操作。在实际应用中，可根据抄表用户的不同分布，灵活地构建抄表的无线网络，甚至可以将ZigBee无线模块集成到电能表、水表和燃气表中，从而完全实现居民区集中抄表、无布线和快速组网以及三表统一抄收的功能。

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