ZigBee的无线抄表系统设计
ZigBee的无线抄表系统设计[20200131184531]
【摘要】
随着社会，经济的快速发展，电力消费增长较快，电表抄表的增加，电力管理成本加大，难以管理更复杂，传统的抄表技术已无法满足目前的需求。基于ZigBee技术和GPRS技术，设计了一种新型的无线抄表系统，采用数据采集硬件系统核心是CC2430芯片，可以很好的解决这一问题的自动数据收集和数据远程传输,也便于电表抄表中心数据收集,自动化水平也会随之提高。
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关键字:】ZigBee技术,抄表系统,数据采集
一 引言 1
二 ZigBee技术的介绍 1
2.1 ZigBee技术概述 1
2.2 ZigBee协议构架简介 2
三 GPRS数据传输 4
3.1 GPRS技术简介 4
3.2 GPRS 网络结构 4
3.3无线接口 4
3.4 GPRS功能及实现 5
四 系统方案设计 6
4.1 方案选择 6
4.2 系统设计原理总框图 6
五 无线抄表系统的硬件设计 7
5.1 CC2430芯片介绍 7
5.2 CC2430主控模块 9
5.3抄表终端电路 11
5.4抄表终端外围电路 11
六 系统软件设计 15
6.1系统软件开发平台的介绍 15
6.2抄表终端SPI通讯定义 15
6.3管理软件 17
七 总结 19
参考文献 19
附录 19
一 引言
随着城市不断增长的居民住宅，独立式电能表使用数量不断增加，抄表变得越来越复杂。有线自动抄表系统存在的诸多问题，电路复杂，不利于系统的调试和维护，而且容易有线路老化，短路，损坏的风险。还有落后的是抄表人员进行抄表。因为人们居住的越来越密集，户与户之间的距离越来越小，为了方便切有效的对电力进行管理，这时，人们需要改变现在所使用的抄表方式，提高抄表效率，降低一些不必要的风险和成本。
伴随通信技术的发展，最近的几年里国外出现了具有成本低，距离短等特点的无线抄表系统，其中最受欢迎的一种抄表系统被叫作ZigBee无线抄表系统。它是一种距离很短、具有复杂的双向无线通信技术等特点，它主要有功耗、成本和数据速率都较低的三个特征。抄表系统可应用于产业政策，环保，低碳等领域。尽管存在许多无线抄表系统研制成功的方案，但性能决定市场，因此ZigBee有着很强的市场竞争力。
二 ZigBee技术的介绍
2.1 ZigBee技术概述
ZigBee是一个低速率无线个人区域网络。对小流量，低速率的数据传输有着安全，可靠，低成本，且易于安装和使用的不可代替的优势。
这种低速率无线个人区域网络特点：（1）系统功耗极低；（2）系统成本较低；（3）数据传输较为安全；（4）较为灵活的工作频段；（5）网络结构较为灵活；（6）超大的网络容量。网络结构如图2-1所示。
图2.1 ZigBee网络结构
拓扑结构：主从设备的星型、数簇型和对等拓扑结构是ZigBee所支持的。如图2-2所示。
星型网 树簇型网 对等网
图2-2 ZigBee网络的拓扑结构示意图
2.2 ZigBee协议构架简介
ZigBee协议即专门为低码率控制网络定制的方案。ZigBee协议栈的关系结构如图2-3所示。
图2-3 ZigBee协议栈体系结构
ZigBee网络关系： ZigBee网络一共分为四层，从上向下分别为应用层、网络层/安全层、媒体接入控制层、物理层，如图2-4所示。
应用层 ZigBee联盟
网络层/安全层
媒体接入控制层 IEEE 802.15.4
物理层
图2-4 ZigBee网络分层
图2-5为物理层参考模型
(2)媒体接入控制层主要负责的任务如右图所示。
图2-7网络层参考模型
(4)ZigBee应用层主要负责的任务如右图所示。
2.3 ZigBee技术应用
ZigBee主要应用在功率消耗小、传输速率低、传输距离短、使用成本较低的场合里。现实中主要可以用于家庭自动化、工业控制、无线传感器网络、智能交通系统、智能建筑、安全保障等领域。
三 GPRS数据传输
3.1 GPRS技术简介
GPRS是GSM移动用户可用的一种数据业务，经常被描述为“2.5G”，它通过利用GSM网络中的未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递，它是GSM的延续，应用于GSM，不会代替GSM。
GPRS 特点：传输极快，永远在线，按量计费等，对突发数据的远程实时传输是其优点，它适用于小频繁的数据的实时传输，因此GPRS业务中的应用领域在不断扩大。
3.2 GPRS 网络结构
GPRS网络使用的是分组传输和分组交换的方式，在网络系统的支持下，GPRS叠加在现有的GSM网络，在原有基础上GSM网络新添了SGSN-服务GPRS支持节点，GGSN-网关GPRS支持节点等功能实体。
如图3-1 为 GPRS 系统结构图。其中新增加接口有Gb，Gr，Gn，Gs， Gi。
图 3-1 GPRS 网络系统的结构图
3.3无线接口
GPRS系统中接口可分为两大类：第一是可传信令或者是数据；第二是只能传信令。GPRS相关接口都用G标识。如图3-2所示，图中A、D、C、E、R接口与GSM中相同。
图3-2 GPRS的接口
3.4 GPRS功能及实现
图3-3 PDP上下文转移图 图3-4 PDP上下文激活流程图
8、所说的移动管理上下文建立之后就可以在外部数据网络与MS间传送数据是数据传输的功能。如图3-5所示
图3-5用户数据传输过程
四 系统方案设计
4.1 方案选择
无线抄表系统可以基于ZigBee、GPRS/CDMA数字蜂窝、WLAN等技术，如表4-1所示。
表4-1 经常使用的三种无线抄表技术
比较项目 ZigBee GPRS/CDMA WLAN
网络使用 2.3千兆赫兹免费频段，无使用费 需使用费 免费频段，无使用费
设备功耗 极低 较高 较高
网络规模 很大 65535 1-32
传输距离 一至一千米 远距离 一至五十米
传输带宽 256.00K 128.00K 11.00M
技术优点 成本较低，功耗较低，网络容量较大，网络安全性较高 覆盖范围比较广 传输数据速率较高
本文结合ZigBee技术和GPRS技术，为无线抄表系统提供一种解决方案。能量损耗低，应用成本低，数据传输率低，有大的网络容量，这是每个抄表终端必须具备的条件。ZigBee技术正好可以满足密集的抄表终端区，距离近的网络要求。
4.2 系统设计原理总框图
经过对抄表技术发展过程的了解和市场需求的调查，本文得出的结论是：ZigBee技术在自动抄表系统是可行的。本文将介绍自己利用ZigBee技术设计的电力抄表系统，该抄表系统主要可以实现：1、抄集电能数据；2、在网络中数据的有效传输。3、即使监控网络的状态。网络节点运行状态的即时监测以保证系统的正常运行。当节点出现故障时，比如电源/通信中断等问题，则会立即报警传给电力管理中心。如图4-1所示是系统框图。如4-2所示是系统的硬件总体框图。
4-1系统总体设计框图
4-2硬件系统的总体框图
五 无线抄表系统的硬件设计
5.1 CC2430芯片介绍
具有8位8051单片机，采用CMOS技术的CC2430芯片，在工作时的电流损耗是28Ma；在收/发送模式下，电流损耗要对应小于28Ma或者小于26Ma。
CC2430的内部结构图如图5-1所示。
图5-1 CC2430内部结构图
CC2430模块的内部结构，大致可以分为三类：CPU模块，RF模块以及电源模块。模块具有以下特点：
【摘要】
随着社会，经济的快速发展，电力消费增长较快，电表抄表的增加，电力管理成本加大，难以管理更复杂，传统的抄表技术已无法满足目前的需求。基于ZigBee技术和GPRS技术，设计了一种新型的无线抄表系统，采用数据采集硬件系统核心是CC2430芯片，可以很好的解决这一问题的自动数据收集和数据远程传输,也便于电表抄表中心数据收集,自动化水平也会随之提高。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】ZigBee技术,抄表系统,数据采集
一 引言 1
二 ZigBee技术的介绍 1
2.1 ZigBee技术概述 1
2.2 ZigBee协议构架简介 2
三 GPRS数据传输 4
3.1 GPRS技术简介 4
3.2 GPRS 网络结构 4
3.3无线接口 4
3.4 GPRS功能及实现 5
四 系统方案设计 6
4.1 方案选择 6
4.2 系统设计原理总框图 6
五 无线抄表系统的硬件设计 7
5.1 CC2430芯片介绍 7
5.2 CC2430主控模块 9
5.3抄表终端电路 11
5.4抄表终端外围电路 11
六 系统软件设计 15
6.1系统软件开发平台的介绍 15
6.2抄表终端SPI通讯定义 15
6.3管理软件 17
七 总结 19
参考文献 19
附录 19
一 引言
随着城市不断增长的居民住宅，独立式电能表使用数量不断增加，抄表变得越来越复杂。有线自动抄表系统存在的诸多问题，电路复杂，不利于系统的调试和维护，而且容易有线路老化，短路，损坏的风险。还有落后的是抄表人员进行抄表。因为人们居住的越来越密集，户与户之间的距离越来越小，为了方便切有效的对电力进行管理，这时，人们需要改变现在所使用的抄表方式，提高抄表效率，降低一些不必要的风险和成本。
伴随通信技术的发展，最近的几年里国外出现了具有成本低，距离短等特点的无线抄表系统，其中最受欢迎的一种抄表系统被叫作ZigBee无线抄表系统。它是一种距离很短、具有复杂的双向无线通信技术等特点，它主要有功耗、成本和数据速率都较低的三个特征。抄表系统可应用于产业政策，环保，低碳等领域。尽管存在许多无线抄表系统研制成功的方案，但性能决定市场，因此ZigBee有着很强的市场竞争力。
二 ZigBee技术的介绍
2.1 ZigBee技术概述
ZigBee是一个低速率无线个人区域网络。对小流量，低速率的数据传输有着安全，可靠，低成本，且易于安装和使用的不可代替的优势。
这种低速率无线个人区域网络特点：（1）系统功耗极低；（2）系统成本较低；（3）数据传输较为安全；（4）较为灵活的工作频段；（5）网络结构较为灵活；（6）超大的网络容量。网络结构如图2-1所示。
图2.1 ZigBee网络结构
拓扑结构：主从设备的星型、数簇型和对等拓扑结构是ZigBee所支持的。如图2-2所示。
星型网 树簇型网 对等网
图2-2 ZigBee网络的拓扑结构示意图
2.2 ZigBee协议构架简介
ZigBee协议即专门为低码率控制网络定制的方案。ZigBee协议栈的关系结构如图2-3所示。
图2-3 ZigBee协议栈体系结构
ZigBee网络关系： ZigBee网络一共分为四层，从上向下分别为应用层、网络层/安全层、媒体接入控制层、物理层，如图2-4所示。
应用层 ZigBee联盟
网络层/安全层
媒体接入控制层 IEEE 802.15.4
物理层
图2-4 ZigBee网络分层
图2-5为物理层参考模型
(2)媒体接入控制层主要负责的任务如右图所示。
图2-7网络层参考模型
(4)ZigBee应用层主要负责的任务如右图所示。
2.3 ZigBee技术应用
ZigBee主要应用在功率消耗小、传输速率低、传输距离短、使用成本较低的场合里。现实中主要可以用于家庭自动化、工业控制、无线传感器网络、智能交通系统、智能建筑、安全保障等领域。
三 GPRS数据传输
3.1 GPRS技术简介
GPRS是GSM移动用户可用的一种数据业务，经常被描述为“2.5G”，它通过利用GSM网络中的未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递，它是GSM的延续，应用于GSM，不会代替GSM。
GPRS 特点：传输极快，永远在线，按量计费等，对突发数据的远程实时传输是其优点，它适用于小频繁的数据的实时传输，因此GPRS业务中的应用领域在不断扩大。
3.2 GPRS 网络结构
GPRS网络使用的是分组传输和分组交换的方式，在网络系统的支持下，GPRS叠加在现有的GSM网络，在原有基础上GSM网络新添了SGSN-服务GPRS支持节点，GGSN-网关GPRS支持节点等功能实体。
如图3-1 为 GPRS 系统结构图。其中新增加接口有Gb，Gr，Gn，Gs， Gi。
图 3-1 GPRS 网络系统的结构图
3.3无线接口
GPRS系统中接口可分为两大类：第一是可传信令或者是数据；第二是只能传信令。GPRS相关接口都用G标识。如图3-2所示，图中A、D、C、E、R接口与GSM中相同。
图3-2 GPRS的接口
3.4 GPRS功能及实现
图3-3 PDP上下文转移图 图3-4 PDP上下文激活流程图
8、所说的移动管理上下文建立之后就可以在外部数据网络与MS间传送数据是数据传输的功能。如图3-5所示
图3-5用户数据传输过程
四 系统方案设计
4.1 方案选择
无线抄表系统可以基于ZigBee、GPRS/CDMA数字蜂窝、WLAN等技术，如表4-1所示。
表4-1 经常使用的三种无线抄表技术
比较项目 ZigBee GPRS/CDMA WLAN
网络使用 2.3千兆赫兹免费频段，无使用费 需使用费 免费频段，无使用费
设备功耗 极低 较高 较高
网络规模 很大 65535 1-32
传输距离 一至一千米 远距离 一至五十米
传输带宽 256.00K 128.00K 11.00M
技术优点 成本较低，功耗较低，网络容量较大，网络安全性较高 覆盖范围比较广 传输数据速率较高
本文结合ZigBee技术和GPRS技术，为无线抄表系统提供一种解决方案。能量损耗低，应用成本低，数据传输率低，有大的网络容量，这是每个抄表终端必须具备的条件。ZigBee技术正好可以满足密集的抄表终端区，距离近的网络要求。
4.2 系统设计原理总框图
经过对抄表技术发展过程的了解和市场需求的调查，本文得出的结论是：ZigBee技术在自动抄表系统是可行的。本文将介绍自己利用ZigBee技术设计的电力抄表系统，该抄表系统主要可以实现：1、抄集电能数据；2、在网络中数据的有效传输。3、即使监控网络的状态。网络节点运行状态的即时监测以保证系统的正常运行。当节点出现故障时，比如电源/通信中断等问题，则会立即报警传给电力管理中心。如图4-1所示是系统框图。如4-2所示是系统的硬件总体框图。
4-1系统总体设计框图
4-2硬件系统的总体框图
五 无线抄表系统的硬件设计
5.1 CC2430芯片介绍
具有8位8051单片机，采用CMOS技术的CC2430芯片，在工作时的电流损耗是28Ma；在收/发送模式下，电流损耗要对应小于28Ma或者小于26Ma。
CC2430的内部结构图如图5-1所示。
图5-1 CC2430内部结构图
CC2430模块的内部结构，大致可以分为三类：CPU模块，RF模块以及电源模块。模块具有以下特点：
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