摘要：為了解決ZigBee無線抄表系統數據采集發送集成度不高、設備繁瑣等問題，通過對ZigBee無線標準協議的研究和對當前無線抄表系統實現過程的分析，設計出一種基于ZigBee的電表數據收發終端。該終端主要是將MCU系統和RF CC2430無線射頻芯片相結合，包括數據接收、無線數據發送和電源三個硬件電路部分，完成對電表數據的接收和無線發送，重點闡述該終端節點的硬件結構設計和軟件設計流程。通過對其在無線抄表系統中檢測，接收發送數據穩定可靠。實踐表明，該終端可作為一個通用模塊應用到其他無線收發系統中，具有很強的實用性和可移植性的特點。
關鍵詞：ZigBee；ATmega64L；CC2430；無線抄表；RS 485
0 引言
隨著無線網絡的不斷興起，由于無線網絡技術極大的優越性，使得越來越多的行業有線產品和技術被無線替代，在我國，自動無線抄表技術(AMR)作為一種新型的抄表技術，具有易操作，成本低，不入戶等優點，ZigBee作為一種新興的無線網絡技術，具有功耗低、速率低、可靠性高、保密性強等特點，同時工作于國際免費頻段，相比其他無線技術的較高網絡費用，大大降低了成本，很適合應用于自動無線抄表系統中。本文所設計終端是無線抄表中的重要一部分，數據收集主要采用RS 485總線和MCU控制模塊，無線發送部分采用ZigBee無線通信模塊。
1 ZigBee協議分析
ZigBee協議棧依次從最底層開始由物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層組成，其中物理層和數據鏈路層由IEEE 802．15．4工作組制定，網絡層和應用層(APL)由ZigBee聯盟制定。物理層定義了3種流量等級：當頻率采用868 MHz時，提供20 Kb／s的傳輸速率；當采用915MHz時，提供40 Kb／s的傳輸速率；當采用2．4 GHz時，能夠提供250 Kb／s的傳輸速率，在我國采用的是這種免費頻段。數據鏈路層可分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質訪問控制子層(MAC)，其功能包括數據包的分段與重組，數據包的順序傳輸，無線鏈路的建立、維護和拆除，確認模式的幀傳送和接收，信道接入控制、幀校驗、預留時隙管理和廣播信息管理等。網絡層的功能包括拓撲管理、MAC管理、路由管理和安全管理。應用層是協議棧的最上層定義了各種類型的應用業務。該系統中主要涉及ZigBee網路中數據采集終端節點的設計，也可作為網絡路由器應用。
2 無線抄表數據收發終端總體設計
RS 485總線具有很強的抗共模干擾能力，可以進行多點和雙向通信，允許在一對雙絞線上驅動一個或多個設備，這樣就可以實現一個收發器管理多個用戶電表。基于RS 485總線電表簡單易操作，成本低，市場上很多都是采用RS 485智能電表，該系統可以廣泛應用。無線Zig-Bee模塊通過SPI接口接收來自微控制器系統的數據信號，將數據信號發送出去。
無線抄表數據收發終端在整個抄表系統中扮演的是路由和終端的角色，是一種全功能設備FFD(Full Function Device)。該系統總體設計思路是：通過RS 485總線將電表數據收集，然后通過MCU電路處理，通過RS 232，SPI接口發送到ZigBee無線通信模，塊，最后利用無線通信模塊發送到路由器節點或網絡協調器。系統的總體結構如圖1所示。
3 收發終端硬件設計
該終端系統主要包括：電表數據收集電路、無線發送電路和電源電路3部分。
(1)電表數據收集電路主要是MCU控制電路，處理RS 485發送過來的數據。主要有MCU芯片，RS 485控制芯片、光耦隔離器、時鐘電路、穩壓電路等構成。
(2)無線發送電路主要是通過SPI接口接收MCU的處理數據，通過RF射頻天線發送。
(3)電源電路主要是完成將交流220 V電壓轉化成直流電壓，再通過穩壓等完成對系統的供電。主要由小型變壓器、熱敏電阻、壓敏電阻器、穩壓芯片等構成。
系統主要器件選型：
MCU：選用Ateml公司的ATmega 64L芯片，是一款基于支持實時仿真的高性能、低功耗的8位RISC結構的AVR微控制器。帶有64 KB系統內可編程FLASH，4 KB的片內SRAM，64 KB可選外部存儲空間，32個通用寄存器，實時計數器(RTC)，4個具有比較模式與PWM的靈活定時器／計數器(T／C)，2個USART，面向字節的兩線串行接口，8路10位具有可選查分輸入級可編程增益的ADC，看門狗定時器，一個SPI接口，JTAG接口，以及6個可以通過軟件進行選擇的省電模式，滿足無線抄表系統中對可靠性和功耗的要求。
ZigBee芯片：選用TI公司的CC2430 RF，其是一顆真正的系統芯片，提倡CMOS解決方案，這種解決方案能夠提高性能并能滿足以ZigBee為基礎的2．4GHz ISM免費波段的應用，同時滿足低成本，低功耗的要求。它結合一個高性能2．4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器，收發波特率250 Kb／s。CC2430在接收和發射模式下，電流損耗分別為27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合無線抄表這種要求電池壽命比較長的應用。接收數據時，當CC2430全部收到幀開始定界符SFD后，IRQ_SFD(中斷標志位寄存器)置1；當RXFIFO中有數據時，RFSTATUS．FIFO置1，數據為空時，置0；當RXFIFO中未讀過的字節超過編程設置在IOCFG0．FIFOP_THRRF_P的閾值時，RFSTATUS．FIFOP置1，反之，置0。RF_N兩個引腳顯示接收和發送數據狀態，RF_P引腳：接收時，正RF(射頻)輸入信號到LNA(低噪聲放大器)；發送時，接收來自PA(功率放大器)的正RF(射頻)信號。RF_N引腳：接收時，負RF(射頻)輸入信號到LNA(低噪聲放大器)；發送時，接收來自PA(功率放大器)的負RF(射頻)信號。CC2430通過SPI接口接收ATmega64L的時鐘信號和片選信號，
由內部集成的8051核完成數據信號的處理和輸入／輸出操作，從而完成電表數據的傳輸。
片外FLASH：用來存儲電表數據，選用金士頓1 GB SD卡，由于電源電路的輸出電壓為5 V，而SD卡需3．3 V供電，所以要將電壓轉換，用SE8117T33輸出3．3 V電壓，接到SD卡VDD引腳上。
時鐘芯片：選用Philips公司的實時時鐘芯片PCF8563T，是一種低功耗CMOS時鐘芯片，提供一個可編程輸出、終端輸出和掉電檢測器，所有地址和數據都通過I2C總線接口串行傳輸，得到最大的總線傳輸速度。
光電耦合器：選用本系統選用3個PC817光電耦合器，用來隔離上下級電路，減小電路干擾，簡化電路設計。PC817是一種單通道線性光耦，能夠傳輸連續變化的模擬電壓和電流信號。
穩壓芯片：選用L7805CV，是電源電路設計中常用的性能很好的穩壓芯片。該設計中MCU控制電路和電源電路都用到穩壓芯片，是電路能得到穩定的5 V電壓。電源電路原理圖如圖2所示。
圖2中R1電阻選用MYG 10K471壓敏電阻器，主要做保護電路器件。
4 軟件設計流程
該系統軟件主要是MCU控制電路的初始化程序設計，ZigBee無線模塊的初始化、接收和發送程序設計，初始化程序主要是對單片機、RF芯片、SPI等進行初始化；SPI初始化程序如下：
MCU系統所采集電表數據將通過單片機RS232接口、SPI接口送至射頻發送模塊，然后輸出。路由設備或協調器設備接收數據并處理。收發終端軟件總體設計流程如圖3所示。
5 結語
本文采用MCU和RF射頻模塊設計出在ZigBee無線抄表中的電表數據采集發送終端系統，安裝方便，抗干擾能力強，具有很強的實用性，可作為一個整體功能模塊應用于其他無線數據傳輸系統中，如家用水表，智能家居等方面，在試驗使用過程中抄表數據可靠，無丟數據現象，現在的無線數據傳輸系統都有一定的距離要求，在此模塊上加上RF放大模塊，可增大傳輸距離，但效果不明顯，利用無線路由器和定向增益天線可解決這一問題，可完全滿足局域距離要求，且可作為集成模塊應用到其他無線傳輸系統中，通用性和可移植性增強。
