精品文檔-下載后可編輯一種遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案-技術(shù)方案摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的手工抄表方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，以及準(zhǔn)確性和及時(shí)性都得不到保障的缺點(diǎn)，基于GPRS網(wǎng)絡(luò)和ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，構(gòu)建了一種無(wú)線抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)避免了長(zhǎng)距離布線和復(fù)雜的線路干擾，可以快速抄寫(xiě)并實(shí)時(shí)上傳表上的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)傳輸可靠。結(jié)果表明，此無(wú)線抄表系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、可靠地完成數(shù)據(jù)的采集、處理以及傳輸?shù)裙δ?，完全滿足要求。

0引言

隨著城市居民住宅建設(shè)日益發(fā)展，抄表計(jì)量也日趨復(fù)雜。傳統(tǒng)的手工抄表方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確性和及時(shí)性都得不到保障，已經(jīng)不適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需求。雖然目前自動(dòng)抄表系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)在我國(guó)有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，但實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)抄表系統(tǒng)的通信介質(zhì)大多都采用總線方式。目前，國(guó)內(nèi)比較流行的是RS一485總線，其復(fù)雜的布線不僅會(huì)對(duì)用戶家中的裝修造成很大的破壞，而且也使得系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)困難重重，這在很大程度上影響了自動(dòng)抄表系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，所以迫切需要尋求一種無(wú)線的解決方案。

對(duì)此，本文提出了一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)和ZigBee無(wú)線通用技術(shù)的無(wú)線抄表系統(tǒng)技術(shù)方案。此方案不僅能滿足遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的迫切需要，促進(jìn)抄表系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展，而且在科研上提出了一種新的設(shè)計(jì)思想，即將ZigBee技術(shù)和GPRS通信技術(shù)相結(jié)合。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抄表系統(tǒng)整體由監(jiān)控中心站、GPRS無(wú)線數(shù)傳終端DTU（datatransferunit）和數(shù)據(jù)采集終端三大部分構(gòu)成。其中，監(jiān)控中心站主要由監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)、企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)（Intranet）和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等外圍設(shè)備組成；GPRS無(wú)線數(shù)傳終端由MSP430F149單片機(jī)及外圍電路和Motorola公司生產(chǎn)的G24無(wú)線通信模塊兩部分組成；數(shù)據(jù)采集終端采用的是Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430產(chǎn)品。系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)進(jìn)行收發(fā)信號(hào)，通過(guò)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，然后經(jīng)ZigBee總結(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器將采集的數(shù)據(jù)傳給DTU，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控中心。無(wú)線抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1數(shù)傳終端硬件設(shè)計(jì)

GPRS數(shù)傳終端DTU是數(shù)據(jù)采集端與監(jiān)控中心之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)能夠及時(shí)傳送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)中，同樣，監(jiān)控中心的查詢或控制命令也可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給采集終端。數(shù)傳終端的主要功能有：①數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)和遇錯(cuò)重發(fā)ARQ（automaticrepeat—request）；②為監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)采集端建立一個(gè)透明的連接；③數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中可使用密匙檢驗(yàn)。

數(shù)傳終端主要由GPRS無(wú)線數(shù)傳模塊、數(shù)據(jù)通信接口、串行存儲(chǔ)模塊、微處理器（MCU）、電源模塊及JTAG接口與復(fù)位模塊組成。其硬件框圖如圖2所示。

圖2數(shù)傳終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮所要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)、性價(jià)比和片內(nèi)資源等問(wèn)題，選擇TI公司的MSP430F149作為系統(tǒng)的中央處理器。TI公司的MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，其中包括一系列器件，它們根據(jù)不同的應(yīng)用而由各種不同的模塊組成。其中MSP430F149是一款片內(nèi)帶Flash存儲(chǔ)器的MSP430單片機(jī)。它具有16位RISC結(jié)構(gòu)，CPU中的16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使其能達(dá)到的代碼效率；靈活的時(shí)鐘源可以使器件功率消耗降至；數(shù)字控制的振蕩器DCO（digitalcontroloscillator）可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6uS的時(shí)問(wèn)內(nèi)激活到活躍的工作方式。

GPRS無(wú)線通信模塊選用的是Motorola公司生產(chǎn)的G24模塊。G24模塊是一款高速的GSM／GPRS／EDGE模塊，支持850／900／1800／19OOMHz四種頻率，所在頻段功耗分別為2w（850／900MHz）和1w（1800／1900MHz）；自動(dòng)波特率范圍為300bit／s～115kbit／s，由標(biāo)準(zhǔn)的AT指令控制。G24模塊通過(guò)一個(gè)70PIN、0.5mm間距的表面安裝插座和應(yīng)用電路板相連，其外圍電路主要由供電電路、SIM卡接口電路和串行口電路等幾大部分組成。

MSP430F149有USART和USART兩個(gè)串行通信模塊，分別與G24模塊和ZigBee網(wǎng)絡(luò)總結(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信；使用了Flash存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器有主存儲(chǔ)器段和信息段兩種類(lèi)型，應(yīng)用程序存儲(chǔ)在主存儲(chǔ)器段，數(shù)傳終端的設(shè)置信息通過(guò)對(duì)Flash信息段的編程和擦除寫(xiě)入；其余的通用I／O端口分別實(shí)現(xiàn)數(shù)傳終端的各種控制和傳輸功能。

2.2數(shù)據(jù)采集端硬件設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是一種新的短矩離無(wú)線通信技術(shù)，它具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的特性。由于整個(gè)抄表系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量小，對(duì)傳輸速率要求不高，且現(xiàn)場(chǎng)由電池供電，因此，ZigBee技術(shù)符合此要求。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器zc（ZigBeecoordinator）、路由器ZR（ZigBeerouter）和終端設(shè)備ZE（ZigBeeenddevice）。其中，協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備FFD（fullfunctiondevice），而終端設(shè)備選用精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD（reducedfunctionde—vice）。

CC2430是一個(gè)真正的系統(tǒng)芯片（SoC）COMS解決方案，這種解決方案能夠提高數(shù)據(jù)采集終端的性能，并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHzISM波段應(yīng)用對(duì)低成本、低功耗的要求。它包括了1個(gè)高性能的2.4GHz直接序列擴(kuò)頻DSSS（directsequencespreadspectrum）射頻收發(fā)器和1個(gè)工業(yè)級(jí)小巧高效的80.51控制器，在單個(gè)芯片上集成了ZigBee射頻RF（radiofre.

quency）前端、內(nèi)存和微控制器；具有2／64／128kB可編程閃存和8kB的RAM，還包括ADC、定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路和21個(gè)可編程I／O引腳，可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的微型化。

CC2430無(wú)線單片機(jī)功耗非常低，待機(jī)時(shí)電流消耗僅為0.2A，在32kHz晶體時(shí)鐘下運(yùn)行時(shí)，電流消耗也小于1A，使用小型電池壽命可以長(zhǎng)達(dá)10年。節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖3所示。

圖3節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的硬件基礎(chǔ)架構(gòu)，將硬件設(shè)計(jì)分為無(wú)線收發(fā)模塊和無(wú)線測(cè)試模塊兩大部分。無(wú)線收發(fā)模塊電路包括CC2430芯片及其相關(guān)外圍電路。由于CC2430將8051內(nèi)核與無(wú)線收發(fā)模塊集成到一個(gè)芯片當(dāng)中，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，省去了對(duì)單片機(jī)與無(wú)線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計(jì)，縮短了研發(fā)周期。無(wú)線測(cè)試模塊電路主要有測(cè)試電路、JTAG電路、供電電路和串口轉(zhuǎn)換電路四部分，它為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)程序的、在線調(diào)試、開(kāi)關(guān)與LED指示燈模擬測(cè)試、節(jié)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸提供硬件接口。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1數(shù)傳終端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用c語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)工具，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為廣泛應(yīng)用的MSP430開(kāi)發(fā)軟件IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括IAR嵌入式工作臺(tái)（embeddedworkbench）和C—SPY調(diào)試器。在此，系統(tǒng)重點(diǎn)解決監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)采集終端的通信問(wèn)題，采用GPRS無(wú)線通信模塊G24實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)通信，監(jiān)控中心采用個(gè)人PC機(jī)，GPRS無(wú)線通信模塊G24通過(guò)AT指令來(lái)進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)傳輸采用內(nèi)置TCP／IP發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)傳終端軟件設(shè)計(jì)部分可分為初始化模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊、數(shù)據(jù)接收處理模塊、數(shù)據(jù)存取模塊和串口中斷等。主程序流程圖如圖4所示。

圖4主程序流程示意圖

主程序的任務(wù)是將幾個(gè)功能模塊聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體，處理各個(gè)功能模塊之間的調(diào)度任務(wù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。主程序首先完成整個(gè)系統(tǒng)的初始化設(shè)置，包括單片機(jī)的初始化和G24模塊的初始化；然后通過(guò)AT+MIPCALL指令控制G24模塊建立GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，如果GPRS網(wǎng)絡(luò)能正常登錄即模塊成功獲得一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的IP地址，則通過(guò)AT+MIPOPEN指令控制模塊建立一個(gè)和遠(yuǎn)端服務(wù)器（即監(jiān)控中心服務(wù)器）的Socket連接。數(shù)傳終端和監(jiān)控中心服務(wù)器成功建立聯(lián)系后，系統(tǒng)進(jìn)入主循環(huán)，主程序在主循環(huán)中通過(guò)查詢各功能標(biāo)志來(lái)判斷是否需要進(jìn)入相應(yīng)的模塊進(jìn)行處理。各個(gè)模塊在完成各自的任務(wù)后通過(guò)改變標(biāo)志的方式通知主程序可以繼續(xù)執(zhí)行下一步工作。

3.2數(shù)據(jù)采集端軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集端的軟件設(shè)計(jì)主要包括協(xié)調(diào)器ZC節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和終端設(shè)備ZE節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器通過(guò)串口RS-232和數(shù)傳終端相連，并將各終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)傳終端傳給監(jiān)控中心。由于實(shí)際情況中采集的數(shù)據(jù)是各用戶的用表數(shù)據(jù)，所以監(jiān)控中心必須要對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域有宏觀的把握，即將數(shù)據(jù)和各用戶對(duì)應(yīng)起來(lái)。這就需要每個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)后把網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址后建立地址表并存儲(chǔ)起來(lái)，以便采集數(shù)據(jù)時(shí)依據(jù)地址表來(lái)采集每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程總圖如圖5所示。

圖5協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)程序流程總圖

3.3系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方案

當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)后，各節(jié)點(diǎn)會(huì)按照人網(wǎng)先后順序自動(dòng)獲得一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，并將網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)給協(xié)調(diào)器。當(dāng)協(xié)調(diào)器收到信息時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)的個(gè)標(biāo)志字符來(lái)判斷是終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址還是節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。若是網(wǎng)絡(luò)地址，則把該網(wǎng)絡(luò)地址存儲(chǔ)在地址表里，然后把網(wǎng)絡(luò)地址通過(guò)串口發(fā)送給數(shù)傳終端，經(jīng)數(shù)傳終端傳給上位機(jī)，由上位機(jī)作進(jìn)一步處理；若是節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息，需要把該數(shù)據(jù)存到臨時(shí)數(shù)組里，依據(jù)地址表采集下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集完畢后，根據(jù)臨時(shí)數(shù)組里的數(shù)據(jù)作融合，并把終結(jié)果傳給監(jiān)控中心。同時(shí)，在監(jiān)控中心的上位機(jī)中建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，分別將各節(jié)點(diǎn)的地址和該節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，這樣就實(shí)現(xiàn)了各用戶用表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確抄讀。

4結(jié)束語(yǔ)

基于GP