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1、摘要 本文针对传统抄表系统入户麻烦、费用过高、存在安全隐患等弊端的不足和困难，介绍了一种基于ZigBee技术的低功耗、低成本无线抄表系统的设计方法。本文设计了基于AD7755电能芯片的无线电表，系统通过ZigBee CC2430芯片组成的抄表网络系统对于各个电表电量进行采集，再由基于ARM S3C2410构建的无线网关对所抄集数据进行汇总，数据经过打包等处理后经GPRS网络传输至远程控制中心，最终实现对电量的无线采集和控制。关键词： 无线抄表；ZigBee技术；AD7755Abstract For some disadvantages in the traditional meter read
2、ing technology, a new low-power and low-cost wireless meter reading system based on ZigBee technology was designed in this paper. The system achieves the data of energy consumption through ZigBee CC2430 meter reading network system. The raw data is collected by wireless electric meter which is based
3、 on AD7755. The wireless gateway mainly based on ARM S3C2410 will gather all of the data from CC2430 network and send them to remote control center. By this way, the system realizes wireless acquisition and control. The consumption can be achieved correctly and effectively by this wireless meter rea
4、ding system. Keywords： Wireless Meter Reading System;ZigBee;AD7755前言伴随着公共事业在中国的蓬勃发展，老百姓对生活环境提出了更高的要求；在政府政策的鼓舞下，家居智能化得到了高速的发展。作为智能化产业链中的一环智能抄表系统也同时得到了蓬勃发展。传统的手工抄表方式费时、费力，准确性和及时性得不到保障，且会出现抄表员与用户一些不愉快的尴尬局面，这已经不适应社会的发展需求了。这样也对抄表提出了更高的要求，为此我们提出了新的抄表方案无线抄表。 目前小区抄表基本有两种数据传输方式，有线数据传输和无线数据传输。在这样的大背景之下，各种提高抄表
5、的服务质量、降低抄表的成本的自动抄表系统逐渐被提到议事日程上。无线抄表系统具有省时、省人、省力的特点，能提高工作效率、降低物业成本，并可及时准确的将用户电表数据抄送上来，因而是抄表计费发展的趋势。而在众多无线技术中，ZigBee技术有着独特的优势，其低速率、低能耗、传输可靠、组网灵活等特点正日益成为楼宇智能化中的热门技术。基于此，本文拟采用ZigBee技术、CC2430芯片为核心设计一套无线抄表系统。目录摘要及关键词. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2Abstract and K
6、eywords. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2前言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2目录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3第一章. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7、. . . . . . . . . . . . . . . . . 4ZigBee技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.1 ZigBee技术简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 ZigBee技术的特点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4第二章. . . . . . .
8、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5系统总设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52.1系统设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5第三章. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9、 . . . . . . . .6无线电表设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1 电表总体设计思路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63.2 AD7755芯片简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63.3 电表参数设计. . . . . . . . . . . . . . . . .
10、. . . . . . . . . . . . . . . . . .7第四章. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7无线网关设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74.1 硬件设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74.2 软件设计. . . . .
11、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8第五章. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9控制层设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95.1控制层设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12、 . . . . . . 9 第六章. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9结束语. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96.1结语. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9参考文献. . . . . . . . . . . .
13、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10湖南广播电视大学毕业作业写作过程记录表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11湖南广播电视大学毕业作业评审表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12第一章 Zi
14、gBee技术1.1 ZigBee技术简介蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义ZigBee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为ZigBee。 简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。 ZigBee是一个由可多到65000个无线数
15、传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。 与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee “基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网
16、络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。1.2 ZigBee 的技术特点ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点： (1) 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两
17、节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。 (2) 成本低： ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.52.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。 (3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。 (4) 网络容量大： 一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多
18、100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。 (5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。 (6) 安全： ZigBee提供了基于循环冗余校验 (CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。第二章 系统总设计2.1 系统总设计无线抄表系统设计的关键是数据传输新到的可靠性，应用无线信道近距离传输数据相对其他传输方式要可靠得多：电力载波抄表系统受
19、低压线路用电环境影响很大；RS485抄表系统的数据传输信道相对可靠，但对现有的楼房铺设数据总线有一定施工难度；对于应用ZigBee通信网络实现无线自动化抄表系统，2.4GHz频段没有邻频干扰，不受用电环境的影响，组网简洁方便、稳定可靠。 本抄表系统采用树形拓扑结构，这样不但能够很好的完成无线传感器网络中节点的数据传送需求，而且能够使每个节点保存很少上层的路由信息，节省了存储的空间，降低了成本。本系统采用主动和被动两种抄表方式，工作方式有自上而下和自下而上两种，具有双向通信的特点，在平时数据定期主动上传，有特殊需要时从服务器下达命令到节点，这样不但减少了节点的能量消耗，而且能够满足上层实时监控的
20、需要。系统框图如图1所示：第三章 无线电表设计3.1 电表总体设计思路 无线电表系统以AD7755和CC2430为核心，包括电能计量、 显示、 存储、 报警等模块。AD7755电能计量芯片将采集到的电能转化为脉冲信号输出，CC2430芯片的RF射频模块完成。设计图如图2所示：3.2 AD7755芯片简介 AD7755是美国Analog Devices Inc。（ADI）公司生产的一款低成本、高精度电能计量芯片，其技术直播超过了IEC1036规定的准确度要求。采用Advice755设计电子式电能表是一种电能测量的低成本单片解决方案。AD7755内部包含两路模数转换器（ADC），一个基准电压源和用
21、来计算有功功率的全部信号处理电路。AD7755还包含直接驱动机电式计度器（即电能记录器）的数字频率转换器（F1、F2）和用于校验和通信的高频脉冲输出电路（CF） 。 ADE7755芯片将有功功率的信息以频率的形式输出。有功功率由电流、电压两个通道的信号乘积后经低通滤波得到，最后经VF转换，以频率的形式从F1、F2管脚输出，同时CF管脚输出高频信号，用于电表的校正，F1、F2输出信号可以直接驱动步进电机或机械式计度器。这样极大的方便了无线电表设计，同时也保证了电能计量的精度要求。3.3 电表参数设计 AD7755产生的输出频率与两个输入电压信号乘积的时间平均值成正比。加载AD7755上的输入电压
22、值为V1和V2.本设计中线电压为220V，标定电流（Ib）为5A，最大电流（Imax）为40A，仪表常数3200imp/kWh。只要正确标定通道1和通道2的输入信号，就能设计出工作于任何线电压和最大电流的电能表。传递函数如下： F=（8.6*V1*V2*G*F1-4）/V2REF 其中F为F1、F2的输出频率，V1、V2为通道1、2的电压输入值，G是电流通道放大倍数，这里设置为16，VREF为片内基准电压2.5V，F1-4是由逻辑输入引脚S0、S1的组合决定的主频的二进制分频这里取3.4Hz。该传递函数是后级机电计度器或双步进电机的选择一句，也是与后级计算机接口的设计依据。经过计算可以得到，将
23、V2衰减至248.9mV就可以对电表进行校验。第四章 无线网关设计4.1 硬件设计无线网关以ARM S3C2410为核心，主要是利用RS-232接口实现ARM嵌入式系统与ZigBee无线系统的连接进而实现网关设备功能，通过ARM板载的SP3232E芯片和ZigBee无线系统上的MAX3232芯片来实现串行数据的通信。由于采用了常见的串口作为通信媒介，简化了硬件设计。作为接受命令端的ZigBee系统由于采用的是8051为内核的CPU，因此时刻处于等待命令状态。作为上位机的ARM S3C2410系统植入了Linux操作系统，当运行了串口实现程序后，就可向ZigBee系统发出采抄电表数据命令。接受到
24、所抄集的电量信号之后，ARM处理器将数据进行打包处理，然后经串口通过GPRS模块发送到控制中心。无线网关的设计如图3所示：4.2 软件设计 ZigBee为本设计的下位机，因此软件设计主要集中在对ARM板载SP3222E芯片的实现和Linux操作系统串口程序的实现上。因为目前Linux内核无论是2.4。x还是2.6x系列内核对串口有很好的支持性，因此在Linux对串口驱动上的实现就极为简单，这也是本实验选择串口作为通讯媒介的一个主要原因，可以极大的简化后期的维护，有利于推广。Linux串口实现程序主要是对Termios结构体进行设置，该结构体主要完成对串口波特率、字符大小等进行设置，该结构体主要
25、是对Linux下的/dev/ttySx设备文件进行设置的，当设置好后即可发送初始化的命令和等待接收命令。具体流程如图4所示：第五章 控制层设计5.1 控制层设计控制中心是整个系统的管理中心，对下层所抄集上来的数据进行记录、存储、处理等。这个部分主要的设计是人机界面设计和数据库的建立，管理者可以方便快捷的进行数据查询、系统监测、指令下达等管理。控制中心可以通过Internet网络活GPRS、3G网络等与外网连接，这样广大的用户就可以使用PC或手机在互联网上实时查询自己的用电情况，实现网上缴费、用电数据分析等服务功能。本系统的控制中心界面用Delphi语言编写，结合SQL技术实现人机交互控制。控制
26、层管理软件实现的基本功能主要有：（1）档案信息的建立功能：为所有的节点建立档案信息，将其信息存放到数据库中以提供查询；（2）运行管理功能：实时监测各个节点的工作状态，分析数据，对欠费用户进行远程断电等；（3）财务功能：支持远程收费，对账并生成报表等；（4）安全功能：数据库管理安全性较高，采用防火墙对数据进行保护，备份数据等。第六章 结束语6.1结语本文介绍了一种基于ZigBee技术的无线抄表系统，文中对于整个系统进行了层次化的设计，并对各层的工作原理进行了阐述和讲解。本文创新的设计了基于AD7755电能计量芯片和CC2430的无线电表，使得整个抄表系统实现了真正意义上的无线化。无线远程抄表解决
27、了传统抄表入户的麻烦，用户可以方便的进行远程操作;ZigBee网络自身的优势使得整个系统的功耗、成本大大降低，符合了当前“节能减排”理念的要求；本文设计的无线抄表具有双向通信的优势，布局上更为方便灵活，实现了控制、管理的智能化。参考文献1 周建民，徐鹏，曹青松，一种基于ZigBee技术无线抄表系统的设计J。微计算机信息（嵌入式与SOC），2009年第25卷9-2期2 高守伟，吴灿阳.ZigBee技术实践教程M.北京：北京航空航天大学出版社.20093 张春.AD7755在单相复费率电能表中的应用J.电子技术.2005(8)4 张仲麟.ZigBee技术在电力无线抄表系统中的应用J.电子元器件应用
28、，Vol.11No.4，2009.45 黄伟.电能计量技术（第二版）M.北京：中国电力出版社.20076 胡云.集中电能远程抄表系统的分析与比较J.低压电器_现代建筑电器篇.2009年第8期.7 YueFeng Ma.Application of SoC ZigBee Technology in the Remote Reading Meter systemJ.Proceedings of World Academy of Science,Engineering and Technology.2007Vol.21 Nos.致谢历时将近一个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数
29、的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。从论文的选题到资料的收集到论文的撰写编排整个过程中，尤其要强烈感谢我的论文指导老师丁老师，他对我进行了无私的指导和帮助，在忙碌的教学工作中挤出时间来，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多模板素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。在论文完成之际，我的心情万分激动。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！
