基于ZigBee的远程自动抄表系统设计.docx

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基于ZigBee的远程自动抄表系统设计

分类号：

TP274学校单位代码：

10446

硕士学位论文

论文题目：

基于ZigBee的远程自动抄表系统设计

研究生姓名

：

隋宗斌

学科、专业

：

控制理论与控制工程

研究方向

：

智能控制

导师姓名、职称

：

武玉强教授

论文完成时间

：

2009年3月28日

曲阜师范大学博士/硕士学位论文原创性说明

本人郑重声明：

此处所提交的硕士论文《基于ZigBee的远程自动抄表系统设计》，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。

论文中除注明部分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。

对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中已明确的方式注明。

本声明的法律结果将完全由本人承担。

作者签名：

日期：

曲阜师范大学博士/硕士学位论文使用授权书

《基于ZigBee的远程自动抄表系统设计》系本人在曲阜师范大学攻读硕士学位期间，在导师指导下完成的硕士学位论文。

本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。

本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。

本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制手段保存论文，可以公开发表论文的全部或部分内容。

作者签名：

日期：

导师签名：

日期：

摘要

一方面，我国电力事业迅速发展，供电企业和用户都迫切需要现代化管理手段的介入，另一方面，计算机技术和通信技术不断成熟和进步。

在技术和管理两方面亟待改革的迫切需求下，各种自动抄表技术逐渐发展起来。

目前比较流行的自动抄表方式有IC卡预付费方式、电力线载波方式、GPRS蜂窝网络方式等，但是各种方式都存在一定的缺点，而没有大范围的推广。

本文提出一种由ZigBee无线网络和GPRS蜂窝网络混合组网的无线自动抄表系统设计方案，实现了以最低的组网、运行成本安全可靠的抄取用户的用电数据。

ZigBee是一种新兴的近距离、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术，适用于通信数据量不大，数据传输速率相对较低，分布范围较小但节点较多，对数据的安全可靠有一定要求，而且成本和功耗都非常低的场合。

GPRS是在现有GSM网络基础上叠加的一个专为高速数据通信而设计的新网络。

用户使用GPRS实现数据的分组发送和接收，具有实时在线、按流量计费、快捷登录、高速传输、自如切换等优点，能迅速降低服务成本、提高服务质量。

采集终端是本自动抄表系统的硬件核心，它是基于MSP430F149单片机的嵌入式数据处理、收发系统，通过CC2430芯片与集中器通信，通过RS-485总线与电能表通信。

MSP430F149单片机是德州仪器推出的一款16位超低功耗RISC结构的混合信号处理器，它具有丰富的片内设备和超低的功耗。

CC2430芯片是Chipcon公司生产的符合ZigBee技术规范的2.4GHz射频系统单芯片，它只需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。

本文主要论述了采集终端的设计过程。

通过对采集终端的功能分析，首先确定其主要由核心处理器、日历时钟电路、存储器电路、RS-485接口电路、无线通信电路等几部分组成，然后进行各部分电路的器件选型并做出采集终端的原理图和PCB版图。

在采集终端的软件设计部分主要介绍了跟电能表和CC2430的通信协议和实现过程。

由于MSP430F149单片机不具有IIC总线接口，本文给出了一种软件模拟IIC接口方案，实现跟存储器芯片和时钟日历芯片的通信。

本文还简单介绍了集中器和管理软件的设计过程，最后给出了改进本自动抄表系统的一些方向。

关键词：

自动抄表系统，ZigBee，采集终端，MSP430F149，CC2430

Abstract

Ontheonehand,becauseoftherapiddevelopmentofChinesepowerindustry,powersupplyenterprisesandusersurgentlyneedmodernmanagementmethod;ontheotherhand,thecomputertechnologyandcommunicationtechnologyhavebeenprogressingandmature.Becauseoftheurgentneedofreformsabouttechnologyandmanagement,thevariousautomaticmeter-readingtechnologieshavebeengraduallydeveloped.Currentlypopularautomaticmeter-readingmethodsincludingICcardprepaymentway,powerlinecarrier,GPRScellularnetworkandsoon.Eachwayhascertainshortcoming,asaresulttheyhaven’thadthewiderangepromotion.

Thispaperputsforwardaschemeforwirelessautomaticmeter-readingsystemdesignedbyZigBeewirelessnetworkandGPRScellularnetworks,inordertocopyuser’sdatasafelywithlowestcost.ZigBeeisanemergingatcloserange,lowpower,lowspeed,low-costwirelessnetworktechnology,suitablefornotamountofdatacommunication,smallrangebutmanypoints,safeandreliabledatatransferbutlowrate,andlowcostandpowerconsumption.GPRSisanewnetworkdesignedforhigh-speeddatacommunicationbasedonGSMnetworkinexisting.UserssendandreceivedatapacketbyGPRSnetwork,whichhastheadvantagesincludingreal-timeonline,billingaccordingtotheflow,fastsign,high-speedtransmission,switching,etc.Itcanreduceservicecostsandimproveservicequalityquickly.

Theterminalisthekeyhardwareoftheautomaticmeter-readingsystem,whichisthedataprocessing,receivingandsendingembeddedsystembasedonMSP430F149microprocessor.ItcommunicateswiththecollectorthroughthechipofCC2430,andcommunicateswiththeenergymeterthroughtheRS-485bus.MSP430F149microprocessorisa16-bitultra-lowpowerRISCstructureofmixed-signalprocessorsproducedbyTexasInstruments,whichhasrichcomponentson-chipandultra-lowpowerconsumption.ThechipofCC2430isa2.4GHzRFSystem-on-ChipinlinewiththeZigBeespecificationproducedbyChipcon,whichneedsonlyfewperipheralpartstoreceiveandsenddata.

Thispaperdiscussesthedesignprocessoftheterminal,whichiscomposedbycentralprocessor,calendarclockingcircuit,memorycircuits,RS-485interfacecircuitandwirelesscommunicationcircuit,etc.Throughtheanalysisoftheterminal’sfunction,weselectrightdeviceforthevariouspartsofthecircuitandmaketheterminal’sschematicandPCBlayout.Theterminal’ssoftwaremainlyintroducestheprotocolandprocesscommunicatingwithenergymeterandCC2430.BecauseMSP430F149doesnothaveIICbus,thispaperpresentsasoftwaresimulatingIICbusprogram,forcommunicatingwithmemorychipandcalendarchip.

Thispaperalsosimplyintroducesthedesignprocessofthecollectorandmanagementsoftware,andgivessomewaystoimprovetheautomaticmeter-readingsystem.

Keywords:

AutomaticMeter-ReadingSystem,ZigBee,Terminal,MSP430F149,CC2430

第1章绪论

随着我国电力事业的迅速发展，工业和民用电能表日益增多，无论是用户还是用电管理部门都迫切需要现代化管理手段的介入。

用电部门在用电管理规范化、自动化和收费网络化方面遇到了新的课题。

采用传统抄表方式人工抄取电能表数据，不可避免地存在以下问题：

统计数据不准确，无法真实反映用户用电情况；操作难以规范化，造成不明损失增加；数据采集不及时，无法实时反映系统状况，不能对用户行为进行有效监控；耗费人工多，成本高，效率低。

显然，上述弊端使得人工抄表管理模式不能适应电力体制的改革，也直接阻碍了诸如分时电价运营、预支电费等先进管理模式的推行。

自动抄表技术就是在技术与管理两方面急待进步、改革的迫切需求下逐渐发展起来的。

1.1.自动抄表的现状

目前，我国对用电量的查抄方式正由传统的人工操作向网络化、智能化发展，经历了人工手抄、IC卡预付费、远程自动抄表各个阶段[]。

其中，自动抄表按通信介质的不同可分为有线和无线两种方式。

IC卡预付费采用先付费后使用的方式，对管理部门较为有利，同时不需要现场抄表，部分解决了人工抄表带来的问题，但实际操作过程中仍存在一些缺陷：

IC卡直接与用户接触，易造成人为破坏；未能完全解决窃电及表具损坏、故障问题；不能实时获得用户的用电信息。

有线自动抄表系统利用电话线网络、电力线网络、RS-485总线网，实现实时抄表、实时监测，可检测出设备损坏、非法使用等。

但是也存在一些问题：

布线复杂，施工周期长；工程安装及维护成本高；系统难以扩展升级和与其他网络兼容性差等。

无线自动抄表系统采用无线通信技术和计算机网络技术等自动获取、处理用户用电信息。

其具备有线抄表的优点，另外还能降低组网成本和网络维护难度，提高抄表的准确性和实时性，使管理部门能及时准确地获得用户数据。

随着无线通信技术的不断发展，市场上出现了许多面向抄表系统的无线解决方案。

目前比较流行的几种是：

基于点对点无线数传模块、基于GPRS/CDMA数字蜂窝网络、基于无线局域网技术或者是其中几种方式的组合。

1.2.本课题的现实意义

近年来出现了一种新的低成本无线组网技术——ZigBee技术，它是一种近距离、低功耗、低成本、低速率的无线局域网通讯技术。

目前很多国际知名IC制造商推出了支持ZigBee协议的RF芯片，价格可以控制在50元以下。

这些RF芯片的平均工作电流仅有10多毫安，它的功耗还小于8位单片机。

利用ZigBee技术组建的无线网络所表现出来的低成本、低功耗的特点使它在自动抄表系统的市场上有着强大的竞争力，成为未来无线自动抄表系统的发展方向[]。

GPRS（GeneralPackerRadioService）是中国移动通信有限公司在其现有GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）网络基础上所叠加的一个专为高速数据通信而设计的新网络。

其充分利用了现有通信网的设备，通过在GSM网络上增加很少的硬件并进行必要的软件升级，形成一个全新的网络逻辑实体。

GPRS网络以分组数据交换技术为基础，在中国移动用户和无线数据网络之间提供一种连接，允许数据业务用户在端到端分组交换模式下发送和接收数据，而不需要占用电路交换模式的网络资源。

GPRS网络能够确保分组模式数据应用的成本效益和网络资源的有效利用：

每个用户都可同时占用多个无线通信信道，同一无线信道又可以同时由多个用户共享。

用户使用GPRS无线网络实现数据的分组发送和接收，具有帐号实时在线、按数据流量计费、快捷登录网络、高速传输数据、自如切换状态等优点，迅速降低服务成本的同时还能提高服务质量。

ZigBee技术组网存在着通信距离近，不适合远距离数据传输的缺点，而GPRS组网成本较高，且按数据流量收取费用。

本课题提出的方案结合两种技术，在小区内使用ZigBee网络，而小区和管理中心之间使用GPRS网络，有效的解决了上述问题。

1.3.论文的结构安排

论文共分六章，第一章绪论，介绍了自动抄表的现状和进行本课题研究的现实意义。

第二章介绍了本自动抄表系统所要用到的一种无线网络技术——Zigbee网络。

第三章系统总体设计，进行了项目需求分析，给出了总体设计方案。

第四章采集终端设计是本论文的主体部分，首先介绍了采集终端的元器件选型和软件开发环境，然后重点论述采集终端的硬件、软件设计过程。

第五章集中器和管理中心设计，简单介绍了集中器的工作原理和管理中心软件的功能。

第六章总结展望，是对本课题的一个总结，另外给出了本课题后续研究的一些方向。

第2章ZigBee组网技术

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络通信技术。

它以IEEE802.15.4为协议标准，能在数千个微小的传感器之间相互协调通信。

这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，具有很高的通信效率[]。

2002年8月，由美国摩托罗拉公司、英国英维斯公司、日本三菱公司和荷兰飞利浦公司共同发起成立了ZigBee联盟。

它的成立为ZigBee技术的快速发展奠定了坚实的基础，创造了良好的条件。

这种以标准化的开放技术架构为基础的产品，正迎合了科技市场的需求，符合当今全球化技术发展的潮流。

如今，ZigBee联盟已经吸引了全球上百家知名IC制造商、无线设备制造和开发商的加盟，在它们的共同努力下，ZigBee协议栈第二版已经于2006年发布。

符合ZigBee技术规范的新产品正在不断推出；这些新产品的功能更加强大，价格更加低廉；很多无线应用领域推出了基于ZigBee技术的解决方案。

2.1.ZigBee简介

ZigBee是一种低速无线个域网（LowRateWirelessPersonalAreaNetwork,LR-WPAN）技术，它适用于那些数据通信量不大，数据传输速率要求相对较低，节点分布范围较小，但对数据的安全性和可靠性又有一定要求，而且成本和功耗非常苛刻的场合。

它具有以下几个特点。

◆工作频段灵活

无线通信需要占用一定的频段，在我国频段是一种政府管理的资源，多数频段的使用必须得到政府的许可。

ZigBee联盟选用了无须许可即能使用的“免注册”工业、科学、医疗（ISM）频段，使用户能够自由地使用ZigBee设备。

我国使用的ZigBee设备全都工作在2.4GHz频段。

在本频段里共分配了16个信道，每个信道的宽度为6MHz，数据传输速率最高可达250kb/s。

免注册的ISM频段使ZigBee设备的使用更加方便、灵活，而较多的信道提高了ZigBee设备的可用性和灵活性，即使在同一区域内存在多个不同的ZigBee网络也不会出现相互干扰的问题。

◆对微处理器的要求较低

相对于其他的网络技术，ZigBee网络协议较为简单，可以在运算和储存能力都非常有限的MCU上运行，非常适用于那些对成本要求苛刻的场合。

目前很多厂商已经推出了基于51内核MCU的单芯片ZigBee解决方案，这对于一些需要布置大量无线传感器网络节点及家庭智能家具等领域尤为重要。

◆数据传输安全

因为无线通信是共享信道的，所以优秀的无线通信技术必须很好地解决网络使用信道时的冲突问题，即媒体访问控制（Mediumaccesscontrol，MAC）。

ZigBee技术在物理层（PhysicalLayer，PHY）和媒体访问控制层（MediaAccessControl，MAC）采用IEEE802.15.4协议，使用带时隙或不带时隙的载波检测多址访问与冲突避免（CSMA-CA）机制的数据传输方法，并与确认和数据检验等安全措施相结合，有效地保证了数据的安全传输。

为了提高系统的灵活性并支持在资源相对匮乏的MCU上运行，ZigBee设备支持3种安全模式，其最低的安全模式实际上无任何安全措施，以达到占用最少资源的目的，而最高的安全模式采用高级加密标准（AES）对称密码和公开密钥。

◆设备功耗极低

低功耗是ZigBee设备最重要的特点之一。

为此，ZigBee协议引入了几种降低功耗的方法。

其中最主要的方式是采用间接数据传输，即数据的传输是由功能简单、可用电池供电的从节点发起的，而不是由主节点轮询。

这样就可实现在不需要数据传输的大部分时间，从节点可以关闭收发设备，工作在休眠状态，从而最大限度地降低功耗。

◆网络结构灵活

ZigBee设备既可以组建支持星形结构网络，也可以组建对等拓扑的网格网络；既可以是单跳数据传输，也可以通过路由器实现多跳的数据传输。

ZigBee设备可以使用64位的IEEE标准地址，也可以使用指配的16位短地址。

在一个单独的ZigBee网络中，最多可以容纳65535个设备。

2.2.ZigBee协议栈架构

ZigBee的协议栈架构是建立在IEEE802.15.4标准基础之上的。

IEEE802.15.4标准定义了ZigBee的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）；ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范[]。

2.2.1.ZigBee协议栈结构

ZigBee的协议栈是由一组子层构成的。

每个子层都为其上层提供一组特定的服务，包括数据实体提供数据传输服务，管理实体提供全部其他服务。

每个服务实体通过一个服务接入点（ServiceAccessPoints，SAP）为其上层提供全部服务的接口，并且每个SAP都提供了一系列的基本服务指令来实现相应的功能。

图21是ZigBee协议栈的结构。

图21ZigBee协议栈结构

IEEE802.15.4的PHY提供了MAC与无线物理通信信道之间的接口，主要工作包括完成激活/休眠无线收发设备、对当前通信频道进行能量检测、链路质量指示、为载波检测多址与碰撞避免（CSMA-CA）进行空闲频道评估、频道选择、数据的发送及接收等。

IEEE802.15.4的MAC协议包括以下功能：

在设备间建立、维护和结束无线链路；确认数据帧的传送与接收；通信信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理等。

MAC子层提供两个服务与其上层进行联系。

通过MAC通用部分子层SAP（MCPS-SAP）访问MAC数据服务，用MAC管理实体SAP（MLME-SAP）访问MAC管理服务。

这两个服务为网络层（networklayer，NWL）和PHY提供了一个接口。

NWL负责网络拓扑结构的建立和维护、命名服务和绑定服务，它们协同完成设备寻址、路由选择及数据安全这些必须任务。

NWL将主要考虑采用基于AdHoc技术的网络协议，其需要包含以下功能：

网络拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全；有自组织、自维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本。

应用层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括：

安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。

应用层由应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObject,ZDO）及厂商定义的应用对象。

应用支持子层（APS）的作用是维护设备绑定表，它具有根据服务及需求匹配两设备的能力，且通过边界的设备转发信息。

应用支持子层（APS）的另一作用是设备发现，它能发现在工作范围内操作的其它设备。

ZDO的职责是定义网络内其它设备的角色（如ZigBee协调器或末端设备）、发起或回应绑定请求、在网络设备间建立安全机制（如选择公共密钥、对称密钥等）。

厂商定义的应用对象根据ZigBee定义的应用描述执行具体的应用。

2.2.2.ZigBee中的设备

ZigBee是以一个个独立工作的无线节点为依托，这些节点称为设备（Device），通过无线通信组成网络。

它们在网络中的功能并非完全相同。

网络中的设备按照功能的不同可以分为两类：

具有完整功能的全功能设备（FullFunctionDevice,FFD）和只具有部分功能的精简功能设备（ReduceFunctionDevice,RFD）。

FFD实现了ZigBee协议栈的全集，而RFD根据特定的应用需求只实现了ZigBee完整协议栈中的一部分。

其中RFD的功能非常简单，可以用最低端的MCU实现，在ZigBee网络里只能作为不需要发送大量数据的终端设备，往往同一时间只能和某一个特定的FFD进行通信。

FFD可以和RFD设备通信，也可以和其他的FFD设备通信。

ZigBee联盟根据设备在网络中承担的任务不同把它们分成三种类型：

ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。

其中ZigBee协调器是ZigBee网络的控制中枢，负责整个ZigBee网络的路由建立和存储。

一个ZigBee网络中有且只有一个协调器，协调器必须是FFD。

ZigBee路由器也是FFD，它通过发送信标的方式提供同步服务，当网络中的协调器退出会发生故障时，路由器可以担当起协调器的角色。

ZigBee网络中除协调器和路由器之外的其他设备都是ZigBee终端设备，它们可以是FFD