一种远程无线抄表系统的设计方案

　　0 引言

　　随着城市居民住宅建设日益发展，抄表计量也日趋复杂。传统的手工抄表方式费时、费力，准确性和及时性都得不到保障，已经不适应社会的发展需求。虽然目前自动抄表系统的研制开发在我国有着强劲的发展势头，但实际应用的自动抄表系统的通信介质大多都采用总线方式。目前，国内比较流行的是RS一485总线，其复杂的布线不仅会对用户家中的装修造成很大的破坏，而且也使得系统调试和维护困难重重，这在很大程度上影响了自动抄表系统的推广和应用，所以迫切需要寻求一种无线的解决方案。

　　对此，本文提出了一种基于GPRS网络和ZigBee无线通用技术的无线抄表系统技术方案。此方案不仅能满足远程自动抄表系统的迫切需要，促进抄表系统自动化的发展，而且在科研上提出了一种新的设计思想，即将ZigBee技术和GPRS通信技术相结合。

　　1 系统总体结构设计

　　抄表系统整体由监控中心站、GPRS无线数传终端DTU（data transfer unit）和数据采集终端三大部分构成。其中，监控中心站主要由监控中心计算机、企业内部局域网（Intranet）和数据库服务器等外围设备组成；GPRS无线数传终端由MSP430F149单片机及外围电路和Motorola公司生产的G24无线通信模块两部分组成；数据采集终端采用的是Chipcon公司生产的CC2430产品。系统基于ZigBee技术进行收发信号，通过ZigBee终端节点进行采集数据，然后经ZigBee总结点协调器将采集的数据传给DTU，最后通过GPRS网络传给监控中心。无线抄表系统总体结构如图1所示。 

　　图1 系统总体结构图

　　2 系统硬件设计

　　2.1 数传终端硬件设计

　　GPRS数传终端DTU是数据采集端与监控中心之间数据传输的桥梁。通过GPRS网络，现场数据能够及时传送到监控中心计算机中，同样，监控中心的查询或控制命令也可以通过GPRS网络发送给采集终端 。数传终端的主要功能有：① 数据的存储、转发和遇错重发ARQ（automatic repeat—request）；② 为监控中心和数据采集端建立一个透明的连接；③ 数据传输过程中可使用密匙检验。

　　数传终端主要由GPRS无线数传模块、数据通信接口、串行存储模块、微处理器（MCU）、电源模块及JTAG接口与复位模块组成。其硬件框图如图2所示。

 

　　图2 数传终端的硬件结构框图 

　　系统设计时，考虑所要实现的任务、性价比和片内资源等问题，选择TI公司的MSP430F149作为系统的中央处理器。TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们根据不同的应用而由各种不同的模块组成。其中MSP430F149是一款片内带Flash存储器的MSP430单片机。它具有16位RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数发生器使其能达到最高的代码效率；灵活的时钟源可以使器件功率消耗降至最低；数字控制的振荡器DCO（digital control oscillator）可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6 uS的时问内激活到活跃的工作方式。

　　GPRS无线通信模块选用的是Motorola公司生产的G24模块。G24模块是一款高速的GSM／GPRS／EDGE模块，支持850／900／1 800／1 9OO MHz四种频率，所在频段功耗分别为2 w（850／900 MHz）和1 w（1 800／1 900 MHz）；自动波特率范围为300 bit／s～115 kbit／s，由标准的AT指令控制。G24模块通过一个70 PIN、0.5 mm间距的表面安装插座和应用电路板相连，其外围电路主要由供电电路、SIM卡接口电路和串行口电路等几大部分组成。

　　MSP430F149有USART 和USART 两个串行通信模块，分别与G24模块和ZigBee网络总结点协调器进行通信；使用了Flash存储器，存储器有主存储器段和信息段两种类型，应用程序存储在主存储器段，数传终端的设置信息通过对Flash信息段的编程和擦除写入；其余的通用I／O端口分别实现数传终端的各种控制和传输功能。

　　2.2 数据采集端硬件设计

　　ZigBee技术是一种新的短矩离无线通信技术，它具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的特性。由于整个抄表系统采集的数据量小，对传输速率要求不高，且现场由电池供电，因此，ZigBee技术符合此要求。ZigBee网络包含三种类型的节点，即协调器zc（ZigBee coordinator）、路由器ZR（ZigBee router）和终端设备ZE（ZigBee end device）。其中，协调器和路由器均为全功能设备FFD（full function device），而终端设备选用精简功能设备RFD（reduced function de—vice）。

　　CC2430是一个真正的系统芯片（SoC）COMS解决方案，这种解决方案能够提高数据采集终端的性能，并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求。它包括了1个高性能的2.4 GHz直接序列扩频DSSS（direct sequence spread spectrum）射频收发器核心和1个工业级小巧高效的80.51控制器，在单个芯片上集成了ZigBee射频RF（radio fre.

　　quency）前端、内存和微控制器；具有2／64／128 kB可编程闪存和8 kB的RAM，还包括ADC、定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和21个可编程I／O 引脚，可实现节点的微型化。

　　CC2430无线单片机功耗非常低，待机时电流消耗仅为0.2 A，在32 kHz晶体时钟下运行时，电流消耗也小于1 A，使用小型电池寿命可以长达10年。节点硬件框图如图3所示。 

　　图3 节点硬件设计框图

　　为了实现网络的硬件基础架构，将硬件设计分为无线收发模块和无线测试模块两大部分。无线收发模块电路包括CC2430芯片及其相关外围电路。由于CC2430将8051内核与无线收发模块集成到一个芯片当中，简化了电路的设计过程，省去了对单片机与无线收发芯片之间接口电路的设计，缩短了研发周期。无线测试模块电路主要有测试电路、JTAG电路、供电电路和串口转换电路四部分，它为实现节点程序的下载、在线调试、开关与LED指示灯模拟测试、节点信息数据以及网络数据传输提供硬件接口。