单片机Zigbee技术在远程抄表系统中的应用

单片机Zigbee技术在远程抄表系统中的应用张成武谭斌(河北工业大学图书馆天津300130，天津滨海信息技术协作中心天津300467）摘要:开发了基于ZigBee技术实现无线水表及抄表系统,并介绍了其软件、硬件设计方法。采用的MCU和射频收发模块分别为Freescale公司生产的MC9S08GT60和MC13193,讨论了脉冲信号采集方法、ZigBee无线通信接口的实现以及ZigBee协议到Meter2Bus协议的转换等问题,最后展望了无线水表的应用价值和ZigBee技术的发展前景。关键词:Zigbee,远程抄表,信号采集中图分类号:TH765.2*6文献标识码:AImplementationmethodsofWirelesscontrolsystemforremotewater-meterZHANGChengwu,TANBing(HebeiTechnologicalUniversity,Tianjin,300130，CenterofBinhaiInformationTechnology,Tianjin,300467)Abstract:whilepartoftheprincipleofthistechnologyanditsdevelopmentmethodareexpounded,thedesignofsoftwareandhardwareforZigBee2basedwirelesswater-meterreadingsystemaredescribed.Thentheacquisitionofimpulsesignal,implementationofZigBee2basedwirelesscommunicationinterfaceandtransformationfromSigsbeeprotocoltoMeter2Busprotocolarediscussed.Finally,thevalueofwirelesswatermeterreadingapplicationsandfutureZigBeetechnologydevelopmentareoutlined.Keywords:Zigbee,Wirelesswater-meterreading,Signalacquirement.1.引言目前,各种计测式仪器仪表被广泛地应用于生产、生活、实验等领域。在工业,民用,医用军用,气象,商业,特种工业等行业,需要对各种数据进行测控和计量,并以此做出正确的统计与处理,因而对仪器仪表的需求量很大。但是由于传统的抄表工作需要由人工去完成,随着工业化的发展,大规模的抄表任务已经远远超过了人力抄表的范围；特别是在环境恶劣,抄表困难,甚至人际罕至的环境下,人力抄表已经完全不能胜任了。本文采用的MCU和射频收发模块分别为Freescale公司生产的MC9S08GT60和MC13193,开发了基于ZigBee技术实现无线水表及抄表系统。无线抄表系统采用无线收发设备传输数据,不需专门架线,系统结构简单,节省了人力物力。本文设计的抄表系统利用Zigbee技术,通过射频收发模块直接对每只无线远程水表控制和对流量数据的读取,该远程抄表系统由管理中心数据采集终端和远程用户终端组成。2.无线水表抄表系统功能要求和设计思想2.1无线水表功能要求无线水表功能要求有如下几点:①脉冲信号采集功能。现在的数字远传水表可以将水流转换成脉冲信号,通常有每脉冲10L和每脉冲100L两种,可以通过脉冲信号的采集来实现计量功能;②兼容Meter2Bus协议。在我国现在有一个主流的水表协议,是由多家水表生产厂商和科研院所联合制定的,所以兼容时下流行的Meter2Bus协议,便于推广[1];③无线接口。无线水表需要无线接口来实现各个用户的水表的计量信息的集中抄录,可以采用ZigBee无线网络技术;④要有监控器。各个用户的水表的信息最终要通过抄表器传送到统一监控系统上来。2.2设计思想设计的无线水表抄表系统包括一个监控器和几个终端水表。使用ZigBee技术来实现无线通信网络,并选择Mesh网络[2]。这样各个中间水表也可以具有路由功能,方便网络信息的传递。在硬件方面,主板包括一个ZigBee无线通信模块和一个脉冲信号采集器。ZigBee无线通信部分选择Freescal公司的解决方案,使用MC9S08GT60+MC13193来实现ZigBee通信,自己通过设计模块实现。信号采集器部分,主要通过CPU的通用外部中断来采集脉冲信号。这样设计功耗很低,CPU可以在空闲的时候处于休眠状态。在软件方面,通过对ZigBee协议栈的操作,实现ZigBee无线通信。监控器需要把监控信息上传到上位机,也可以处理来自上位机的命令,此处兼容Meter2Bus协议。3.无线水表抄表系统的实现3.1ZigBee通信部分完整的ZigBee通信有很丰富的通信方式,但人们只需针对具体的水表项目选择合适的通信方式[3]。ZigBee技术可以通过使用IEEE地址或短地址来通信,也可以通过绑定在各个节点间建立联系,然后通过Endpoint和Cluster信息来进行通信[4]。下面分别介绍一下这两种通信方式。3.1.1间接通信间接通信是指各个节点通过Endpoint的绑定建立通信关系,这种通信方式不需要知道目标节点的地址信息,包括IEEE地址或网络短地址[5]。绑定关系表通常被建立在网络协调器中,这样网络中的节点就可以通过Endpoint来访问与之建立绑定关系的节点。这种通信方式离不开网络的协调器,因为绑定表放在这个节点中,每次的通信源节点把信息发送到Coordinator,由Coordinator将接收信息中的Endpoint信息作为参数,查表找到对应的目标地址并转发。绑定有间接绑定、直接绑定(OTA)和直接绑定(通过串口)3种方法[6]。通常前两种使用较多。①间接绑定:间接绑定方法比较简单,它通过按键来发送绑定信息。需要绑定的两个节点在一定的时间内发送绑定命令,当协调器在设定的时间内收到这样的两条绑定信息时,它就会建立对应的绑定表[7]。建立了绑定关系的两个节点之间就可以通过Endpoint来相互通信;②直接绑定(OTA):直接绑定需要用户自己编写相应的绑定程序,ZigBee协议栈中含有绑定API,这就要求用户通过适当的方法调用来实现绑定功能。这种方法通常是使用一个节点直接向协调器发送两条绑定信息,这两条信息中的目标地址和源地址相反[8]。这种方法需要用户对协议栈有一定的了解,熟悉相关的API函数。使用这种方法有许多好处,我们可以通过第三方节点来配置网络来是任意两个节点之间建立绑定关系,使网络通信方式更加灵活。而且第三方节点可以通过与上位机互联,在上位机上我们可以建立一个界面,通过串口向第三方节点传递配置信息,这样我们的配置会更加方便;③直接绑定(通过串口):这种方法是使用上位机通过串口向协调器发送绑定信息,但这种方法需用户对串口API比较熟悉,这种方法一般使用的比较少,因为通常我们的协调器需要与上位机通信,要把网络的信息传到上位机,一般不适合在同一个上位软件再做网络的配置部分。通常直接绑定(OTA)方法比较适用,可以专门做一个网络的配置软件,来配置网络,当然间接绑定最简单,在项目中我们可以综合考虑选择适当的绑定方式。3.1.2直接通信直接通信不需要节点之间通过绑定建立联系,它使用网络短地址作为参数调用适当的API来实现通信,这种方法也需要通过协调器转发[9]。直接通信部分关键点在于节点网络短地址的获得。在发送信息帧之间,必须知道要发送的目标短地址。由于网络协调器的短地址是固定的0x0000,因此人们可容易地把消息帧发送到协调器。其它网络节点的网络短地址是它们在加入到网络中时由协调器动态分配的,与网络深度、最大路由数、最大节点数等参数有关,没有一个固定的值。所以,要想知道目标节点的网络短地址还需通过其它手段,可以采用通过目标节点的IEEE地址来查询短地址的方法[10]。通常,ZigBee节点的IEEE地址是由用户自己定义的,它们被写在节点的EEPROM中,这个作为ZigBee节点的参数一般会被标示在节点上。所以,要得到IEEE地址还是能够实现的。有了IEEE地址以后,可以通过部分网络API的调用,得到与之对应的网络短地址[11]。3.2无线水表硬件设计3.2.1ZigBee通信模块ZigBee通信模块包括无线收发芯片MC13193及部分外围器件组成.3.2.2主板部分主板主要包括MPU、ZigBee通信模块接口部分、水表脉冲信号采集部分和按键显示部分,原理如图1所示。图1无线水表原理框图带有串口功能主要是想使同一块硬件板可以实现不同的功能,通过编写不同的软件实现不同功能,既可以作为水表节点,也可以作为监控节点。电路部分设计中要注意脉冲信号的采集,不要直接把来自数字电传水表的脉冲直接引入到MPU的端口进行采集,应该加上适当的信号处理部分。如可以通过逻辑非门,这样信号采集就准确很多。3.3无线水表软件设计3.3.1ZigBee通信部分ZigBee通信方法如上所述,主要是具体方法的选择上。通信部分的消息帧有“KVP”和“Message”两种方式,其中“Message”方式的帧格式可以由用户自己定义,操作方式比较灵活。在此,选择了“Message”方式,其帧格式定义如下:OTAFrame{Uint16StartWord;ByteLength;ByteCmd;Byte3Data;ByteEndbyte;};脉冲信号采集部分SPIMC13193MC9S08GT60串口部分按键显示部分RS232可以通过定义的OTAFrameIn和OTAFrameOut来接收和发送消息帧,实现无线接口。3.3.2监控节点串口部分串口部分主要是考虑一个ZigBee转Meter2Bus的问题,为了兼容Meter2Bus,将帧格式定义如下:MBusFrame{ByteStartByte;ByteMeterType;ByteAddr[CommAddrLengh];ByteCmd;ByteLength;Byte3Data;ByteCheck;ByteEndbyte;};可以通过定义的MBusFrameIn和MBusFrameOut对消息帧进行适当地处理,实现ZigBee到Meter2Bus的协议转换。当监控节点将接收信息上传到上位机时,需要上位机设计一个串口接收界面处理来自串口的信号。4.结束语无线水表及抄表系统只是ZigBee技术的一个应用,它具有很强的实际应用价值。无线模块也可以很方便的移植到其它的无线应用中去,所以ZigBee技术可以很快地应用到其他的领域。目前ZigBee技术的开发套件也一直在升级,功能也在不断的完善,供人们选择的余地也越来越大。总的来说无线传感网络的趋势还是得到业界的一致看好。当然还存在许多的问题,到目前为止还没有哪家公司可以宣称他们可以完全支持ZigBee技术规范,而且有些公司提供的ZigBee协议栈还存在许多的Bug等,所以ZigBee技术真正的走向成熟还是有许多的路要走。本文创新点:本文采用的MCU和射频收发模块分别为Freescale公司生产的MC9S08GT60和MC13193,分析研究了脉冲信号采集方法、ZigBee无线通信接口的实现以及ZigBee协议到Meter2Bus协议的转换等问题,设计开发了一个具有很强实际应用价值的无线水表及抄表系统,不需专门架线,系统结构简单,节省了人力物力。参考文献[1]ZigBeealliance.ZigBeeSpecification[EB/OL].[2]Figure8wireless.ProfileBuilderGettingStartedGuide[EB/OL].[3]JonAdams,Designingwith802.15.4andZigBee[EB/OL].[2004-03][4]PatrickKinney.IEEE802.15.4S