基于ZigBee協(xié)議無(wú)線(xiàn)抄表智能電網(wǎng)終端設計?

1 ZigBee協(xié)議分析

ZigBee協(xié)議棧依次從最底層開(kāi)始由物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )層和應用層(APL)由ZigBee聯(lián)盟制定。物理層定義了3種流量等級：當頻率采用868 MHz時(shí)，提供20 Kb／s的傳輸速率；當采用915MHz時(shí)，提供40 Kb／s的傳輸速率；當采用2．4 GHz時(shí)，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(zhì)訪(fǎng)問(wèn)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(wú)線(xiàn)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(shí)隙管理和廣播信息管理等。網(wǎng)絡(luò )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(xié)議棧的最上層定義了各種類(lèi)型的應用業(yè)務(wù)。該系統中主要涉及ZigBee網(wǎng)路中數據采集終端節點(diǎn)的設計，也可作為網(wǎng)絡(luò )路由器應用。

2 無(wú)線(xiàn)抄表數據收發(fā)終端總體設計

RS 485總線(xiàn)具有很強的抗共模干擾能力，可以進(jìn)行多點(diǎn)和雙向通信，允許在一對雙絞線(xiàn)上驅動(dòng)一個(gè)或多個(gè)設備，這樣就可以實(shí)現一個(gè)收發(fā)器管理多個(gè)用戶(hù)電表?；赗S 485總線(xiàn)電表簡(jiǎn)單易操作，成本低，市場(chǎng)上很多都是采用RS 485智能電表，該系統可以廣泛應用。無(wú)線(xiàn)Zig-Bee模塊通過(guò)SPI接口接收來(lái)自微控制器系統的數據信號，將數據信號發(fā)送出去。
無(wú)線(xiàn)抄表數據收發(fā)終端在整個(gè)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(guò)RS 485總線(xiàn)將電表數據收集，然后通過(guò)MCU電路處理，通過(guò)RS 232，SPI接口發(fā)送到ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模，塊，最后利用無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送到路由器節點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。系統的總體結構如圖1所示。

3 收發(fā)終端硬件設計

該終端系統主要包括：電表數據收集電路、無(wú)線(xiàn)發(fā)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(fā)送過(guò)來(lái)的數據。主要有MCU芯片，RS 485控制芯片、光耦隔離器、時(shí)鐘電路、穩壓電路等構成。

(2)無(wú)線(xiàn)發(fā)送電路主要是通過(guò)SPI接口接收MCU的處理數據，通過(guò)RF射頻天線(xiàn)發(fā)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(guò)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(shí)時(shí)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(gè)通用寄存器，實(shí)時(shí)計數器(RTC)，4個(gè)具有比較模式與PWM的靈活定時(shí)器／計數器(T／C)，2個(gè)USART，面向字節的兩線(xiàn)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(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)SPI接口，JTAG接口，以及6個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式，滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)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(mǎn)足以ZigBee為基礎的2．4GHz ISM免費波段的應用，同時(shí)滿(mǎn)足低成本，低功耗的要求。它結合一個(gè)高性能2．4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器，收發(fā)波特率250 Kb／s。CC2430在接收和發(fā)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(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合無(wú)線(xiàn)抄表這種要求電池壽命比較長(cháng)的應用。接收數據時(shí)，當CC2430全部收到幀開(kāi)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(shí)，RFSTATUS．FIFO置1，數據為空時(shí)，置0；當RXFIFO中未讀過(guò)的字節超過(guò)編程設置在IOCFG0．FIFOP_THRRF_P的閾值時(shí)，RFSTATUS．FIFOP置1，反之，置0。RF_N兩個(gè)引腳顯示接收和發(fā)送數據狀態(tài)，RF_P引腳：接收時(shí)，正RF(射頻)輸入信號到LNA(低噪聲放大器)；發(fā)送時(shí)，接收來(lái)自PA(功率放大器)的正RF(射頻)信號。RF_N引腳：接收時(shí)，負RF(射頻)輸入信號到LNA(低噪聲放大器)；發(fā)送時(shí)，接收來(lái)自PA(功率放大器)的負RF(射頻)信號。CC2430通過(guò)SPI接口接收ATmega64L的時(shí)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(lái)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(shí)鐘芯片：選用Philips公司的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563T，是一種低功耗CMOS時(shí)鐘芯片，提供一個(gè)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(guò)I2C總線(xiàn)接口串行傳輸，得到最大的總線(xiàn)傳輸速度。