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涡街流量计采用ZigBee技术无线抄表系统的设计

来源:www.jsowyb.com 发布时间:2013-04-27 09:47:55

  目前的涡街流量计自动抄表系统,从数据传输角度划分,可分为有线、无线两大类。这两大类抄表系统各有其适用的应用领域,但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言,无线抄表系统显然具有更大优势。
  从应用角度而言,目前市场上的几种涡街流量计的无线抄表方案或多或少存在以下几种问题:(1)使用成本较高;(2)网络的自管理能力有限;(3)抄表终端的供电问题难以很好地解决,由于抄表终端难以做到极低功耗,所以供电问题始终是一个瓶颈。
 ZigBee技术简介
   随着无线通信技术的不断发展,近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术,称之为ZigBee,它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适用于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。采用ZigBee技术可以为  目前的涡街流量计自动抄表系统,从数据传输角度划分,可分为有线、无线两大类。这两大类抄表系统各有其适用的应用领域,但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言,无线抄表系统显然具有更大优势。
  从应用角度而言,目前市场上的几种涡街流量计的无线抄表方案或多或少存在以下几种问题:(1)使用成本较高;(2)网络的自管理能力有限;(3)抄表终端的供电问题难以很好地解决,由于抄表终端难以做到极低功耗,所以供电问题始终是一个瓶颈。
 ZigBee技术简介
   随着无线通信技术的不断发展,近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术,称之为ZigBee,它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适用于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。采用ZigBee技术可以为涡街流量计的无线抄表提供很好的解决方案。
  目前主要的无线技术都集中在1Mb/s以上的速率,新的标准还在追求更快的速率;而IEEE802.15.4/ZigBee恰恰填补了低速率无线通信技术的空缺,与其他标准在应用上几乎无交叉。
ZigBee协议架构
  完整的ZigBee协议栈主要由物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、网络层(NWK)、安全层和高层应用规范组成。其中,物理层和MAC层由IEEE802.15.4协议标准定义,网络层和应用层由ZigBee联盟制定。ZigBee协议架构如图1所示。

图1 ZigBee协议架构    
无线抄表系统设计
无线抄表系统构架
  分析自来水抄表系统的技术要求,结合ZigBee技术的特点和技术优势,在实际应用中,根据抄表用户的不同分布灵活地构建抄表的无线网络。
  所构建的ZigBee网络既可以是星型拓扑,也可以是网状网络拓扑。不论是哪种拓扑结构的ZigBee网络,根据实际的组网要求,设计合理的网络结构。如图2所示,本系统的拓扑结构采用MESH网状网络结构,保证数据传输的可靠性。每幢单元楼设置一个ZigBee远端节点,一个小区设置一个ZigBee中心节点,ZigBee中心节点数据集中上传到集抄中心。

图2 系统拓扑图    

    2.2 基于ZigBee无线通信技术的智能涡街流量计    

    涡街流量计本体部分仍旧选用目前市场上的带脉冲输出的涡街流量计,因为的制造工艺成熟,不必自行开发任何部件,利用原有可靠的技术能节约开发时间和成本。涡街流量计的机械表头读数仍旧存在,当通信异常或智能计数部分故障时,依然可以读取数据,减少故障带来的计量损失。图3所示为智能的结构框图。

图3 智能涡街流量计结构框图

    3 ZigBee节点电路设计

    系统结构框图如图4所示。在本系统中,每个终端既是采集器模块、中继器模块,同时又是集中器中的ZigBee数据收发模块。但各模块功能各不相同,主要通过软件实现。

图4 节点系统框图    

    在节点系统中,采用MSP430单片机实现对脉冲涡街流量计和ZigBee无线模块CC2430的控制。

    MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器(MixedSignalProcessor)。之所以称为混合信号处理器,是由于其针对实际应用需求,将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上,以提供“单片”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。   

    CC2430芯片作为单芯片ZigBee解决方案,已经将ZigBee主要功能电路封装在模块内(如时钟电路、RF电路、温度检测等),同时芯片内集成了8051MCU,理论上可以制作为独立的终端设备,但是考虑到下载程序的要求,必须让其与单片机构成同一系统,这样才能下载程序,才能更好地实现对系统的控制。因此要设计相应外围电路,包括复位电路、电源电路、晶振时钟电路、接口电路等。

    3.1 复位电路设计

    复位电路主要完成系统的复位功能,可以采用上电复位和系统在运行时用户的按键复位。复位电路可以由简单的RC电路构成,也可以选用专门的系统复位芯片。为了简化电路,本系统选取了复位开关的方式,即可以通过手动控制系统的复位。系统复位电路如图5所示。在系统需要复位时,可以按下S键,复位电路就会产生一个低电平,输入到芯片的RESET口,使得芯片重新启动,执行一系列的硬件初始化操作,并且将芯片的相关寄存器组恢复为默认的数值,使得程序从默认的地方开始执行。

图5 系统复位电路

    3.2 电源模块的设计

    由于CC2430具有出色的低功耗性能,因此,硬件平台采用4节1.5V干电池供电。因为CC2430及其外围电路采用3.3V电源供电,所以需要设计一个DC-DC电源转换电路,将电池输入电压转换为3.3V工作电压,使系统在4V~6V电池电压范围内正常工作。选用AS2815-3.3线性电压转换芯片实现转换功能,电路原理图如图6所示。图中VCC_5V是干电池提供的系统电源,VCC_3.3V为信号采集模块中光耦隔离电路电源,经磁珠FB1滤波后作为网络节点的主电源VDD_3.3V。

图6 电源电路

    3.3 时钟电路设计    

    目前所有的微控制器均为时序电路,需要一个时钟信号才能工作。晶振电路用于向CPU及其他电路提供工作的时钟。因此,系统使用较低的外部时钟信号,以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。本系统选用11.0592MHz的晶振。晶振的设计电路原理图如图7所示。

图7 时钟电路

    4 测试结果及结论

    将所建立的硬件开发平台通过RS232串口和PC机相连,平台上的数据的发送和接收以及平台上ZigBee网络的建立可以通过串口在PC机上串口助手来显示。通过串口助手观测硬件电路板发过来的通信信息。

    操作步骤:

    (1)打开一个串口调试程序,设置波特率为9600b/s。

    (2)组成设备,让一个节点作为发送设备与PC机串口相连作为节点A,与COM相连,设定自己为第一节点,开始建立网络。

    (3)让另外一个节点与另外一台PC机串口相连作为节点B,与COM相连,申请加入A建立的网络。

    (4)从B节点发送数据,可以从A节点成功接收,如图8所示完成测试。


图8 串口调度通信结果

    根据以上测试可知,ZigBee两个节点之间可以按照ZigBee协议进行正常建网、节点加入和通信,这给Zig-Bee抄表设计的成功带来希望,可以此为据进行无线抄表系统的设计。

关键词:涡街流量计 电磁流量计 涡轮流量计

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