学位论文基于zigbee无线网络抄表系统的数据采集与传输.docx
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学位论文基于zigbee无线网络抄表系统的数据采集与传输
毕业论文
基于ZigBee无线网络抄表系统的数据采集与传输
1引言
1.1无线抄表系统的发展现状与前景
随着城市居民住宅建设日益发展，独立电能表数量迅速增多，抄表计量也日趋复杂。
近年来用电形势越来越紧张，分时电价已势在必行。
由于长距离室内外的布线存在着短路、断线隐患，错综复杂的线路使系统调试和维护困难重重，传统的远程集中抄表方式已不能满足电力公司日益增长的业务需求。
采用ZigBee技术可以很好地解决下段信道的供电效益问题，无线抄表技术能够更好地为广大用户提供服务。
目前的自动抄表系统，从数据传输角度划分，可分为有线、无线两大类，这两大类抄表系统各有其适用的应用领域，但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言，无线抄表系统显然具有更大优势。
现有的电力线载波通信的抄表系统已经在不少地方有比较大规模的应用。
但是由于有线抄表系统的速度慢，准确率比较低，加上我们国家的电网干扰比较厉害，严重时已经导致电表数据不能正常的抄回。
抄表系统对无线通讯数据的传输和保存有着很高的要求，即数据可靠性要求很高；抄表系统可以摆脱人工抄表的办法，利用数据通讯协议传输数据；基于以上原因，要求设计的自动无线远传抄表系统应该具有计量准确、通信可靠、抄表方便、功耗低等远程抄表系统的优点，以及节省人力、远程监控、远程维护的功能。
1.2zigbee概述
ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。
IEEE802.15.4工作组定义了一种廉价的供固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。
ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了IEEE802.15.4作为其物理层和媒体
接入层规范。
在其基础之上，ZigBee联盟制定了数据链路层（DLL）、网络层（NWK）和应用编程接口（API）规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。
ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，每一个ZigBee网络数传模块在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信。
每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个ZigBee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。
例如，你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个ZigBee控制网络。
ZigBee网络主要是为自动化控制数据传输而建立，每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。
每个ZigBee网络节点不仅本身可以与监控对象，例如传感器连接直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料；除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD，FullFunctionDevice）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD，ReducedFunctionDevice）无线连接。
2总体方案设计
2.1总体设计思想
本课题是无线抄表系统的数据采集与传输，要实现数据的采集和无线传输并可在上位PC机上显示当前温度的高低。
我们采用LM75温度传感器，由于采集到的数据是模拟信号，无法在上位机上直接显示，所以需要A/D转换电路。
若另外设计A/D转换电路会复杂很多，于是我们采用STM32F103C8单片机上自带的A/D转换功能，减轻了设计复杂度。
系统的无线传输部分选择的是ZigBee无线传输模块，由于该模块具有低功耗，成本低，时延短，网络容量大，安全等特点，所以选用该模块能可靠，有效地传输和保存数据，提高了系统的准确性和及时性。
最后选择RS232接口以便于与上位机进行通讯。
2.2无线网络抄表系统整体框架
该设计主要是由以基于ARMCortex-M3内核的STM32F103C8单片机为核心的三部分构成。
数据采集部分由LM75温度传感器及相关电路构成，采集到数据后利用STM32F103C8单片机自有的A/D转换功能将采集到的模拟信号转换为可以显示的数字信号，然后将采集到的数据传送至STM32F103C8板A。
无线传输部分
由两块ZigBee模块构成无线传输网络将得到的数据信息由A板传至B板，收到信息后的的B板通过由RS232接口所构成的数据通讯部分将所得到的数据传至PC机，由无线QQ显示出来，利用相关程序使其不断循环该过程，从而达到信息的实时采集与传输。
该系统总体框图如（图2-1）所示：
图2-1无线抄表系统构架图
2.3zigbee无线传输模块总体设计
DRF系列ZigBee模块目前包括DRF1601，DRF1602，DRF1605及相关配套底板，它是基于TI公司CC2530F256芯片，运行ZigBee2007/PRO协议的ZigBee模块，它具有ZigBee协议的全部特点，这有区别于其它种类的ZigBee模块（可能不是运行FullZigBee2007协议，因为ZigBee2007协议的运行需要256K的FLASH空间）。
自动组网，上电即用是DRF系列ZigBee模块的主要特点。
针对目前产品开发进度要求紧，市场变化快的特点，DTK推出了自动组网，上电即用的ZigBee模块，用户不需要了解复杂的ZigBee协议，所有的ZigBee协议的处理部分，在ZigBee模块内部自动完成，用户只需要通过串口传输数据即可，是目前市场上应用ZigBee最简单的方式。
其主要特点包括：
DRF1600系列ZigBee模块可以形象的理解为“无线的RS232连接”，所以使用这个模块就像使用RS232电缆一样简单。
简单易用：
不用考虑ZigBee协议，串口数据透明传输；
自动组网：
所有的模块上电即自动组网，Coordinator自动给所有的节点分配地址，不需要用户手动分配地址，网络加入、应答等专业ZigBee组网流程；
简单数据传输：
1串口数据透传：
Coordinator从串口接收到的数据会自动发送给所有的节点，某个节点从串口接收到的数据，会自动发送给Coordinator。
2口即可在任意节点间进行数据传输，数据传输的格式为：
0xFD（数据传输命令）+0x0A（数据长度）+0x730x79（目标地址）+0x010x020x030x040x050x060x070x080x090x10（数据，共0x0ABytes）；
唯一IEEE地址：
DRF系列模块采用的TICC2530F256芯片，出厂时已经自带IEEE地址，用户无需另行购买IEEE地址，IEEE地址（MAC地址）可作为ZigBee模块的标识；
在本设计中，我们采用的是基于cc2530为内芯的DRF1605模块，其可以方便的与任何带有串口的MCU相连接。
3ZigBee硬件电路的设计
3.1芯片cc2530简介
ZigBee新一代SOC芯片CC2530是真正的片上系统解决方案，支持IEEE802.15.4标准/ZigBee/ZigBeeRF4CE和能源的应用。
拥有庞大的快闪记忆体多达256个字节，CC2530是理想ZigBee专业应用。
支持新RemoTI的ZigBeeRF4CE，这是业界首款符合ZigBeeRF4CE兼容的协议栈，和更大内存大小将允许芯片无线下载，支持系统编程。
此外，CC2530结合了一个完全集成的，高性能的RF收发器与一个8051微处理器，8kB的RAM，32/64/128/256KB闪存，以及其他强大的支持功能和外设。
CC2530提供了101dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，四种供电模式，多种闪存尺寸，以及一套广泛的外设集——包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO，以及更多。
除了通过优秀的RF性能、选择性和业界标准增强8051MCU内核，支持一般的低功耗无线通信，CC2530还可以配备TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈（RemoTI,Z-Stack,或SimpliciTI）来简化开发，使你更快的获得市场。
CC2530可以用于的应用包括远程控制、消费型电子、家庭控制、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗以及更多领域。
3.2芯片cc2530电路图
下图为cc2530的方框图。
这些模块大致可以分为三类：
CPU和内存相关模块；外设、时钟和电源相关的模块，以及无线电相关的模块。
图3-1CC2530方框图
3.3芯片cc2530的功能特性
（1）高性能和低功耗的8051微控制器核。
（2）集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机。
（3）优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。
（4）在休眠模式时仅1.0μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于0.4μA的流耗，外部的中断能唤醒系统。
（5）硬件支持CSMA/CA功能。
（6）较宽的电压范围（2.0～3.6V）。
（7）数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。
（8）具有电池监测和温度感测功能。
（9）集成了12位模数转换的ADC。
（10）集成AES安全协处理器。
（11）带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。
（12）强大和灵活的开发工具。
其相比于CC2430来说在实际应用的一些问题做了一些改进，缓存加大了，存储容量最大支持到256K，不用在为存储容量小而对代码进行限制，cc2530的通信距离可以达到400m，不用在用cc2430外放功率来扩展距离。
3.4芯片cc2530的引脚及分布描述
CC2530芯片采用6mm×6mmQFN封装，共有40个引脚。
全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。
（1）I/O端口线引脚功能
CC2530有21个可编程的I/O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。
通过软件设定一组SFR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ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。
I/O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21个数字I/O口引脚都具有响应外部的中断能力。
如果需要外部设备，可对I/O口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。
（2）电源线引脚功能：
为芯片各个部分电路、模块提供电压。
（3）控制线引脚功能：
提供电阻、正负射频信号、为晶振提供信号。
cc2530引脚顶视
图3-2cc2530引脚示意图
3.4DRF1605特性简介及电气参数
DRF1065ZigBee无线通讯模块具有自动组网，无线数据透传功能，ZigBee模块-DRF1605使用TI公司第三代ZigBee芯片cc2530，运行ZigBee2007协议，是目前最好用的ZigBee模块。
电气参数：
输入电压：
DC3.3V温度范围：
-400C--850C
串口速率：
38400bps（默认），可设置9600bps,19200bps,38400bps,115200bps。
无线频率：
2.4GHz无线协议：
ZigBee2007/PRO
传输距离：
可视距离400米发射电流：
34mA（最大）
接收电流：
25mA（最大）低功耗模式：
用户可定制低功耗模块（标准模块没有此功能）接收灵敏度：
-96DBm
主芯片：
CC2530F256，256KFLASH，TI公司最新一代ZigBeeSOC芯片
可配置节点：
标准数传模块可配置为Coordinator，Router（出厂时已配好，用户无需更改）
图3-3DRF1605元器件分布图
3.42机械参数（顶视图，单位：
mm）
图3-4机械参数图
3.43内部结构及管脚定义如下图所示：
图3-5DRF1605外观图
图3-6J1与J2引脚示意图
J1
J2
1
Debug_D
1
Reset_N
2
Debug_C
2
P0.0
3
P1.7
3
SW1
4
P2.0
4
RX
5
P1.5
5
TX
6
P1.6
6
CTS
7
P1.3
7
RTS
8
P1.4
8
P0.6
9
LED_2
9
P0.7
10
P1.2
10
LED_1
11
NC
11
GND
12
NC
12
3.3VIn
表3-1DRF1605引脚定义
DRF1605详细电路图见附录一。
3.5DRF1605与stm32开发板连接
任何单片机，只要有串口（或者IO口模拟串口），都可以与DRF1605配合使用，通过串口收发数据及配置模块。
下图为STM32F103C8的扩展串口：
图3-7STM32F103C8的扩展串口
由上面我们所介绍的DRF1605的管脚定义，我们可以知道用扩展口的2或者4与DRF1605J2中的第12引脚相连，即把传输模块接入了3.3V的电源；把扩展口的6或者8与DRF1605中的第11引脚相连，即接地。
3.6DRF1605与USB底板连接
1实际上是一个USB转换口的电路，通过PC的USB口与DRF1605传输数据
2可通过USB口取电对DRF1605供电，不需要额外的电源。
3驱动程序可在DTK网站上下载或者搜需PL2303驱动。
图3-8J51扩展口电路
图3-9USB底板电路
4电路图绘制及PCB制板
4.1Protel99SE简介
Protel99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。
该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。
Protel99SE由两大部分组成：
电路原理图设计（AdvancedSchematic）和多层印刷电路板设计（AdvancedPCB）。
其中AdvancedSchematic由两部分组成：
电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（SchematicLibrary）。
Protel99SE共分5个模块,分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。
以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：
·可生成30多种格式的电气连接网络表；
·强大的全局编辑功能；
·在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；
·同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络；
·既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB）,也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；
·支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件；*PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；
·强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；
·提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；
·可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；
·智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；
·独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；
·经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；
4.2PCB制版
在进行PCB制作之前，首先是要进行封装，封装形式是指安装元件用的外壳。
它不仅起着安装、固定、密封、保护元件及增强电热性能等方面的作用，而且还通过元件上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其它器件相联接。
衡量一个芯片封装技术重要指标之一，是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近越好。
对于同一个元件来说，经常有不同的封装形式。
只有尺寸正确的元件才能安装并焊接在电路板上。
画好的元件封装应该尽量与实际元件的尺寸和大小相一致，这样才不会在布局的时候造成元件之间的干涉。
封装图中焊盘之间的距离也要与实际的引脚的距离一致。
大部分芯片相邻两个引脚之间距离为100mil。
因此可以通过和芯片引脚距离的对比来确定其他元件的引脚距离。
接下来要做的就是设计布局。
布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理的布局是PCB设计成功的第一步。
本次电路板的元件布局大致做到了整齐、紧凑，且分布合理、均匀。
Protel99SE有自动布局和手动布局二种，本次设计我采用了手动布局来完成的。
元件放置的顺序通常遵循一些规则：
首先放置与结构紧密配合的固定位置的元器件，再放置元器件和大元器件。
最后放置小元器件。
接下一步是PCB的设计布线。
Protel99SE具有自动布线功能，考虑到自动布线无法完成复杂电路板的布线，所以本次设计中采用自动布线和手动布线相结合来完成的。
印制电路板的元件布局和电气连线方向的正确结构设计是决定产品能否可靠工作的关键，对同一元件和参数的电路，由于元件布局设计和电气连线方向的不同而产生不同的结果。
因而，必须把如何正确设计印刷电路板元件布局的结构和正确选择布线方向综合起来考虑，这样既可以消除因布线不当而产生的干扰，同时便于生产中的安装、调试与检修等。
5ZigBee无线传输模块软件的设计
5.1软件介绍
5.2ZigBee模块的网络介绍
5.21Zigbee网络的节点形态：
Zigbee网络具有三种网络形态节点：
Coordinator（中心协调器），Router（路由器），EndDevice（终端节点）。
Coordinator（中心协调器）：
用来创建一个Zigbee网络，当有节点加入时，分配地址给子节点，Coordinator通常定义为不能掉电的设备，没有低功耗状态，适用模块DRF1601，DRF1602，DRF1605。
每个Zigbee网络需要且仅需要一个Coordinator，不同网络的PANID（网络ID号）应该不一样，如果在同一空间存在二个Coordinator，如果它们初始的PANID一样，则后上电的Coordinator的PANID会自动加一，以免引起PANID冲突。
Router（路由器）：
Router通常被称作为FFD（FullFunctionDevice）（全功能节点），负责发资料包，寻找最适合的路由路径，当有节点加入时，可为节点分配地址，Router通常定义为具有电源供电的设备，不能进入低功耗状态，适用模块DRF1601，DRF1602，DRF1605。
每个Zigbee网络可能需要多个Router，每个Router可以收发数据也可以转发数据，当一个网络全部由Coordinator（1个）及Router（多个）构成时，这个网络才是真正的MESH网络（网状网），每个节点发送的数据全部是自动路由到达目标节点。
当一个ZigBee网络形成后（MESH网络）：
Router获得的地址（ShortAddress）是不变的，可作为点对点数据传输的地址使用；
即使Coordinator掉电，Router仍然在保持网络，所以Router与Router之间仍然能够通讯；
即使Coordinator掉电，当有新的节点加入时，仍然能够通过现有的Router获得地址，加入网络。
EndDevice（终端节点）：
选择已经存在的Zigbee网络加入，可以收发数据，但是不能转发数据，EndDevice通常定义为电池供电设备，可周期性唤醒并执行设定的任务，具有低功耗特征：
（1）每个Zigbee网络可能需要多个EndDevice，EndDevice通常在周期性醒来时，问自己的父节点是否有传输给自己的数据，并执行设定的任务，所以，EndDevice通常适合接收少量的数据，周期性的发送数据。
适用模块DRF1605（目前可为客户定制低功耗项目，没有标准模块供货）。
（2）当一个Zigbee网络非常大时，如超过300个节点，小范围的Router太多，可能引起数据的过分转发，此时，只有数据传输的节点可配置为EndDevice，并将EndDevice的低功耗功能关掉，EndDevice也能够接收及发送较大的数据量（适合于DRF1601，DRF1602，DRF1605）。
5.21ZigbeeMESH（网状网）的特点
（1）网络由1个Coordinator加n个Router组成。
（2）每个节点既能收发数据，也能充当路由，转发数据。
（3）网络内任意节点之间都能通讯，即使其它节点全部断电（包括Coordinator），这二个节点间也能通讯。
（4）网络内的每一个节点（Coordinator，Router）均具有网络保持功能，只要有一个节点是运行的，则新的节点可通过这个节点加入网络。
（5）节点加入后，自动获得Zigbee网络分配的地址，并保持该地址不变。
（6）路由的计算是自动的，转发的数据并不依赖于是通过哪个节点加入网络。
5.23Zigbee网络的组网及网络测试
构成Zigbee网络的要素：
1各节点使用相同的频率（出厂已设定）。
2各节点使用同一PANID（出厂已设定为0x190x9B），如果要在相邻的空间组成不同的ZigBee网络，可以设定二组节点的PANID不同（通过串口设定）。
为了可视ZigBee模块的组网过程，DRF1601/1602/DRF1605设定兼容TI的SensorMonitor软件，可以通过TI的SensorMonitor软件来监控及测试模块的网络连接。
（1）打开TISensorMonitor软件，将Coordinator模块通过串口连接至PC，选取Coordinator连接的串口号，并点击RUN图标
，运行，此时可以看到表示Coordinator的图标变成红色，表示Coordinator与PC连接成功。
（注意：
TISensorMonitor软件只支持串口的波特率为38400），见附录二图1。
（2）将一个Router模块上电，并按一下TEST按钮，此时，Router模块会发送一个模拟数据到Coordinator，Coordinator会把这个数据通过串口发送到PC，并在TISensorMonitor软件里显示出网络结构，见附录二图2。
DRF1605的TEST按键是J2的第3脚（SW1），与地短接一下即可。
（3）同理，将其它的Router模块上电，则它们会自动寻找并加入这个网络，按下TEST按键，组网后的结构，见附录二图3。
（4）Coordinator可直接绑定6个Router，超出以后，其它的Router通过前面的Router继续加入网络，每个Router可接受其它6个Router加入网络，并分配地址，见附录二图4。
后加入网络的Router（或通过Router加入网络）并不受前面Router断电的影响，即使前面的Router全部断电，这个Router仍然保持地址，并能够与其它的节点继续通讯，当前面的Router断电后，Router能自动计算路由，保证数据的送达，见附录二图5。
按下模块上的TEST按键，模块会自动发送一串测试数据到Coordinator，Coordinator通过串口传送至PC，在SensorMonitor软件里显示出该节点，该节点上有地址及数据传输的时间，见附录二图6。
注意：
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