基于ZigBee 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)抄表系統設計與應用

1 引言
現階段，無(wú)線(xiàn)技術(shù)正飛速地進(jìn)入許多應用領(lǐng)域，與有線(xiàn)設備相比其具有成本低、攜帶方便、無(wú)需布線(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于手持設備的通信、電池供電設備、遙控、遙測、小型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)抄表、門(mén)禁系統、小區傳呼、工業(yè)數據采集系統、用戶(hù)識別、信號采集、水文氣象監控、無(wú)線(xiàn)數字語(yǔ)音、數字圖像傳輸等系統的應用。
2 系統方案設計
(1) 系統整體設計
整個(gè)系統按照運行流程可分成三部分：終端設備（多個(gè)）、手持式采集設備（一個(gè)）、數據MIS 系統。終端設備是采集氣量數據的集成設備，它負責對氣量的數據進(jìn)行采集和控制，同時(shí)可通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸給手持式采集設備；手持式采集設備是通過(guò)無(wú)線(xiàn)通道對終端設備的數據進(jìn)行下載和控制的設備；數據MIS系統是將手持式設備中的采集數據下載后對其進(jìn)行管理的軟件系統。

(2) 終端設備
在用戶(hù)端氣表加裝通訊模塊形成終端設備，實(shí)現數據的讀取和無(wú)線(xiàn)傳輸。
(3) 手持式采集設備配置
MPU：PHILIPS P89LV51RD2，低功耗芯片；
EEPROM：24AA512（64K）用以存放所采集的數據；
LCD：MOBI2006 薄型液晶LCD；
鍵盤(pán)：設置4 個(gè)功能鍵，分別為：上、下、確認、背光；
RS-232C 接口芯片：MAX232；
無(wú)線(xiàn)模塊：IP?Link1000-B；
(4) 數據庫MIS系統
其主要功能包括與手持式采集設備進(jìn)行數據交換并存儲，對數據進(jìn)行格式化加工，對數據進(jìn)行通用管理（添加、刪除、修改、查詢(xún)等）以及根據客戶(hù)需求打印各種報表。
3 系統硬件結構及連接圖
手持設備的硬件連接如圖2 所示，元件主要包括微控制芯片、片外存儲器、多路復用器CD4052、無(wú)線(xiàn)模塊IP?Link1000-B、串口電平轉換芯片MAX232、鍵盤(pán)和LED 顯示屏。

微控制芯片通過(guò)并口連接鍵盤(pán)和LED 顯示屏，片外存儲器EEPROM采用I2C模擬總線(xiàn)方式連接，上位機和下位機通訊采用RS-232C 方式，需使用MAX232 芯片進(jìn)行電平轉換，另因無(wú)線(xiàn)模塊與上下位機通訊都通過(guò)通用串行口，所以要進(jìn)行串行口擴展，采用多路復用開(kāi)關(guān)CD4052。
(1) 數據幀定義
數據幀是數據傳輸協(xié)議中數據的規范格式，數據幀結構的定義如表1 所示。

注：Lead 為幀標識（幀頭）、Command 為命令字、Length 為數據長(cháng)度、Load 為數據、Checksum為CRC校驗碼
(2) 傳輸協(xié)議
上位機—下位機采用S-232 串行數據傳輸，串行口通信方式為異步串行通信，信息格式為1 個(gè)開(kāi)始位、8 位數據位、1個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗位，數據傳輸采用“停止—等待”協(xié)議。
數據發(fā)送：發(fā)送方將欲發(fā)送的數據先進(jìn)行幀格式定義，先對數據串（命令字＋數據長(cháng)度＋數據）進(jìn)行循環(huán)冗余校驗（CRC-16 ），形成兩個(gè)字節的校驗碼，在數據串前添加幀標識，然后附上所得的校驗碼，形成數據幀后進(jìn)行發(fā)送，并等待返回信息。
數據接收：接收方在接收數據幀時(shí)，先判斷幀標識，若錯誤，丟棄當前幀并向數據源發(fā)重傳命令；如果正確，接收“命令”字節和“數據長(cháng)度”字節并判斷數據長(cháng)度，超出數據長(cháng)度時(shí)停止接收數據并發(fā)重傳命令，長(cháng)度合乎要求時(shí)才進(jìn)行后面數據的接收，以上每個(gè)字節接收過(guò)程都包含超時(shí)判斷，如果超時(shí)要求數據重發(fā)。數據接收完畢后進(jìn)行循環(huán)冗余校驗，將生成的校驗碼與接收到的校驗碼比較，相同則通過(guò)校驗，數據幀正確，然后進(jìn)行命令字節判斷并對數據進(jìn)行處理；若未通過(guò)校驗，接收方發(fā)重傳命令至發(fā)送方，要求重新傳輸該幀數據。
發(fā)送端A在啟動(dòng)發(fā)送后等待返回信息，接收端B接收并校驗數據后進(jìn)行信息回復，包括正確報告或錯誤報告信息，發(fā)送端A 在接收到接收端B 的反饋信息后，作出相應的判斷動(dòng)作。另外，在得到錯誤報告信息或在規定時(shí)間內沒(méi)有接收到反饋信息時(shí)，發(fā)送端A重新發(fā)送當前數據幀，并且記錄重發(fā)次數。當重發(fā)次數超過(guò)給定值N 時(shí)，停止發(fā)送，并報出錯信息。
4.2 下位機與上位機的通信
下位機（手持設備）與上位機（計算機）通信采用RS-232C 串口通信，上位機對所接收的數據進(jìn)行CRC 檢驗判斷，校驗未通過(guò)，要求重傳，校驗通過(guò)，數據存儲至數據庫。上位機利用Visual Basic 6.0中的通信控件MSComm開(kāi)發(fā)串行通訊程序。MSComm 控件提供兩種處理通信的方式：事件驅動(dòng)方式和查詢(xún)方式。事件驅動(dòng)方式由MSC omm 控件的onComm事件捕獲并處理通信事件和錯誤，其優(yōu)點(diǎn)是程序相應及時(shí)、可靠性高；查詢(xún)方式是通過(guò)檢查commEvent屬性的值來(lái)判斷事件和錯誤，適合于應用程序較小的情況。
(1) 控件屬性：包括串口初始化屬性設置、數據讀寫(xiě)操作、狀態(tài)控制、打開(kāi)/ 關(guān)閉串口。
(2) 串口初始化屬性設置
下面結合初始化程序的實(shí)例來(lái)說(shuō)明屬性的設置：
MSComm. CommPort = 2 設置通信端口號；
MSComm. Settings =“1200, M, 8, 1” 設置波特率為12 00 ，奇偶校驗為標記，8 位數據位，1 位停止位；
MSComm. InputLen = 0 讀取接收緩沖區的全部代碼；
MSComm. InputMode = comInputModeBinary 接收的數據格式為二進(jìn)制數據；
MSComm. InBufferSize = 100 設置接收緩沖區大小為100字節；
MSComm. OutBufferSize = 10 設置發(fā)送緩沖區的大小為10字節；
MSComm. OutBufferCount = 0 清除發(fā)送緩沖區；
MSComm. InBufferCount = 0 清除接收緩沖區；
MSComm. PortOpen = True 打開(kāi)串口（關(guān)閉端口時(shí)值為f a l s e ）；
(3) 數據讀寫(xiě)操作
Output 屬性：向發(fā)送緩沖區寫(xiě)數據流，為Variant 型變量。Output 屬性可以傳輸文本數據或二進(jìn)制數據，用Output 屬性傳輸文本數據，須定義一個(gè)包含一個(gè)字符串的Variant。發(fā)送二進(jìn)制數據，則須傳遞一個(gè)包含字節數組的Variant 到Output屬性。以下是上位機向下位機發(fā)確認信號(ACK)的實(shí)例。
定義sendata 為Variant，發(fā)送Output 的值，right()為Byte數據，存放要發(fā)送的二進(jìn)制數據：
Dim sendata As Variant
Dim right(1) As Byte
right (0) = H5E
sendata = right 二進(jìn)制數據變?yōu)閂ariant 格式
MSComm. InBufferCount = 0 接收緩沖區清空
MSComm. Output = sendata 發(fā)送二進(jìn)制數據
Inp ut 屬性：將接收緩沖區中收到的數據讀入變量，為Variant 型變量。當InputMode 屬性值為0 （文本模式）時(shí)，變量中含String 型數據，當InputMode 屬性值為1（二進(jìn)制模式）時(shí)，變量中含B y t e 型數組數據。
InputLen 屬性：確定被Input 屬性讀取的字符數。設置InputLen 為0，則讀取緩沖區中全部的內容。若接收緩沖區中In putLen 字符無(wú)效，In put 屬性返回一個(gè)零長(cháng)度字符串（“”）。在使用Input 前，用戶(hù)可以選擇檢查InBufferCount 屬性來(lái)確定緩沖區中是否已有需要數目的字符。
InBufferCount屬性：返回接收緩沖區中已傳到但還未取走的字符個(gè)數，In teg er 型。設為0 ，則清空緩沖區。
OutBufferCount 屬性：類(lèi)似于InBufferCount 屬性，為發(fā)送緩沖區中已傳到但還未取走的字符個(gè)數，Integer 型。設為0 ，則清空緩沖區。
5 數據的循環(huán)冗余校驗
在數據的無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中，因為噪聲的干擾數據極易出錯，因此在傳輸時(shí)必須采用可靠的數據校驗方法。數據校驗方法包括奇偶校驗，循環(huán)甬余校驗等多種校驗方法，普遍采用循環(huán)甬余校驗方法（CRC），它能有效地檢測出傳輸數據的錯誤。CRC 的全稱(chēng)為Cyclic Redundancy Check，它是一類(lèi)重要的線(xiàn)性分組碼，編碼和解碼方法簡(jiǎn)單，檢錯和糾錯能力強，在通信領(lǐng)域廣泛地用于實(shí)現差錯控制。
CRC 校驗的基本思想是利用線(xiàn)性編碼理論，在發(fā)送端根據要傳送的k 位二進(jìn)制碼序列，以一定的規則產(chǎn)生一個(gè)校驗用的監督碼（即CRC 碼）r 位，并附在信息后邊，構成一個(gè)新的二進(jìn)制碼序列數共（k ＋ r ）位，最后發(fā)送出去。在接收端，根據信息碼和CRC 碼之間所遵循的規則進(jìn)行檢驗，以確定傳送中是否出錯。
例如，16 位的CRC 碼產(chǎn)生的規則是先將要發(fā)送的二進(jìn)制序列數左移16 位后，再除以一個(gè)多項式，最后所得到的余即是CRC 碼，其中B(X)表示n 位的二進(jìn)制序列數，G(X)為多項式，Q(X)為整數，R(X)是余數（既CRC 碼）。

求CRC 碼采用模2 加減運算法則，即是不帶進(jìn)位和借位的按位加減，這種加減運算實(shí)際上就是邏輯上的異或運算，加法和減法等價(jià)，乘法和除法運算與普通代數式的乘除法運算是一樣，符合同樣的規律。生成CRC碼的多項式如下，其中CRC-16 和CRC-CCITT 產(chǎn)生16 位的CRC 碼，而CRC-32 則產(chǎn)生的是32 位的CRC 碼。
CRC-16：（美國標準） G(X)=X16+X15+X2+1
CRC-CCITT：（歐洲標準） G(X)=X16+X12+X5+1
C R C - 3 2 ：G (X ) =X 3 2 +X 2 6 +X 2 3 +X 2 2+ X 1 6+ X 1 2+X11+X10+X8+X7+X5+ X4+X2+X1+1
下面以CRC-16 為例：
數據以字節為單位，待傳送的數據排隊，運算區先存放兩個(gè)字節的數據，緩沖區為一個(gè)字節，第三個(gè)字節的數據放在緩沖區內，運算區的數據按位運算，最左邊為標志位，標志位左移，緩沖區內的數據也左移一位（運算區內為新的16位數據），標志位與CRC-1 6 多項式的最高位系數（總為1）比較，標志位為1 則運算區內的數據位與多項式的后十六位“異或”運算，為零則不運算。然后下一位左移，過(guò)程同上，直至緩沖區內的八位數據全傳輸至運算區內為止。這時(shí)第三個(gè)字節的數據運算完畢，將第四個(gè)字節的數據存入緩沖區，運算方法同上。
待數據串運算完畢后，后面附加16 個(gè)零進(jìn)行運算，數據完全運算完成后，運算區的兩個(gè)字節的數據就是生成的CRC校驗碼。將CRC 校驗位附在信息碼后作為循環(huán)碼發(fā)送。
以上是CRC 校驗碼的產(chǎn)生過(guò)程。
接收方在接收到數據（循環(huán)碼= 數據串+ 校驗位）后，再進(jìn)行CRC 校驗，最后產(chǎn)生的運算區內的數據就是待校驗的余數，余數為零則表示接受的數據串正確，否則為錯。
CR C 碼以模二除法得到余數，具體實(shí)現方法是用“異或”運算實(shí)現。單片機CRC 檢驗子程序如下：
CRC_CHECK:
MOV R3, #00H ；存儲CRC碼高位
MOV R4, #00H ；存儲CRC碼低位
CRC0: MOV A, R3
XRL A, @R0 ；R0 為初始值地址
MOV R3, A
MOV R7, #08H ；8 次比較
CRC1: MOV A, R4
CLR C ；進(jìn)位標志清零
RLC A
MOV R4, A
MOV A, R3
RLC A
MOV R3, A
JNC CRC2
XRL A, #80H ；高字節異或運算
MOV R3, A
MOV A, R4
XRL A, #05H ；低字節異或運算
MOV R4, A
CRC2: DJNZ R7, CRC1
INC R0 ；取下一校驗字節數據
DJNZ R6, CRC0 ；R6 為欲校驗數據串的長(cháng)度
RET
6 無(wú)線(xiàn)模塊特征說(shuō)明
本系統的無(wú)線(xiàn)數據傳輸是基于IEEE802.15.4協(xié)議的ZigBee技術(shù)。IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)數據傳輸協(xié)議標準主要規定了一種短距離、低功耗、低速率、低價(jià)位、高效率、高可靠性的短程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準。遵循這一標準的技術(shù)被稱(chēng)作ZigBee 技術(shù)。ZigBee 技術(shù)是一種低速率無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，采用直序擴頻(DS S S ) 技術(shù)來(lái)提高抗干擾能力，工作頻率為8 6 8MHz 、915MHz 或2.4GHz，其中2.4GHz 是一個(gè)開(kāi)放的頻率。該技術(shù)的突出特點(diǎn)是應用簡(jiǎn)單，電池壽命長(cháng)，有組網(wǎng)能力，可靠性高以及成本低。
在ZigBee 的七層協(xié)議中，IEEE802.15.4 只定義了PHY和MAC 層，實(shí)體層（PHY）規范確定了在2.4GHz 以250Kbps的基準傳輸率工作的低功耗展頻無(wú)線(xiàn)電（另有一些以更低數據傳播率工作的915 MHz 和868 MHz 的實(shí)體層規范），介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層（MAC）規范定義了在同一區域工作的多個(gè)802.15.4無(wú)線(xiàn)電信號如何共享空中通道。ZigBee兼容性平臺則在IEEE802.15.4 的基礎上包含了網(wǎng)絡(luò )與安全層、以及應用開(kāi)發(fā)框架(Application Framework)的定義。ZigBee 技術(shù)主要工作在無(wú)須注冊的2.4GHz ISM頻段，數據速率為20～250Kbit/s，最大傳輸范圍在10～75m，典型距離為30m。
系統中無(wú)線(xiàn)模塊采用兼容IEEE 802.15.4 協(xié)議的赫立訊IP?Link1000-B 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )收發(fā)模塊，組網(wǎng)形式為星型網(wǎng)絡(luò )。模塊的工作狀態(tài)由外部設備控制，外部設備通過(guò)模塊的UART0接口，采用AT命令或數據幀結構的形式對IP?Link1000-B模塊進(jìn)行配置和操作。
無(wú)線(xiàn)模塊在使用前先進(jìn)行參數配置，包括對UART0 的波特率，模塊的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，節點(diǎn)號等參數進(jìn)行設置，配置結果保存于模塊內部非易失性存儲器中，然后模塊進(jìn)入數據狀態(tài)，準備數據的傳輸。無(wú)線(xiàn)模塊在使用中先處于休眠狀態(tài)，在外部命令作用下進(jìn)入活動(dòng)模式，數據傳輸成功后又回到休眠狀態(tài)。
文中的無(wú)線(xiàn)硬件設計、軟件設計解決方案經(jīng)測試運行穩定，無(wú)線(xiàn)通信誤碼率低、可靠性高、安全性好。文中的軟硬件設計方案，可適用于各種單片機，并且作為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的推廣和廣泛的運用有著(zhù)較好的參考價(jià)值。