基于ZigBee協議無線抄表智能電網終端設計?
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1 ZigBee協議分析
ZigBee協議棧依次從最底層開始由物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層組成，其中物理層和數據鏈路層由IEEE 802．15．4工作組制定，網絡層和應用層(APL)由ZigBee聯盟制定。物理層定義了3種流量等級：當頻率采用868 MHz時，提供20 Kb／s的傳輸速率；當采用915MHz時，提供40 Kb／s的傳輸速率；當采用2．4 GHz時，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)和介質訪問控制子層(MAC)，其功能包括數據包的分段與重組，數據包的順序傳輸，無線鏈路的建立、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、預留時隙管理和廣播信息管理等。網絡層的功能包括拓撲管理、MAC管理、路由管理和安全管理。應用層是協議棧的最上層定義了各種類型的應用業務。該系統中主要涉及ZigBee網路中數據采集終端節點的設計，也可作為網絡路由器應用。
2 無線抄表數據收發終端總體設計
RS 485總線具有很強的抗共模干擾能力，可以進行多點和雙向通信，允許在一對雙絞線上驅動一個或多個設備，這樣就可以實現一個收發器管理多個用戶電表。基于RS 485總線電表簡單易操作，成本低，市場上很多都是采用RS 485智能電表，該系統可以廣泛應用。無線Zig-Bee模塊通過SPI接口接收來自微控制器系統的數據信號，將數據信號發送出去。
無線抄表數據收發終端在整個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RS 485總線將電表數據收集，然后通過MCU電路處理，通過RS 232，SPI接口發送到ZigBee無線通信模，塊，最后利用無線通信模塊發送到路由器節點或網絡協調器。系統的總體結構如圖1所示。
3 收發終端硬件設計
該終端系統主要包括：電表數據收集電路、無線發送電路和電源電路3部分。
(1)電表數據收集電路主要是MCU控制電路，處理RS 485發送過來的數據。主要有MCU芯片，RS 485控制芯片、光耦隔離器、時鐘電路、穩壓電路等構成。
(2)無線發送電路主要是通過SPI接口接收MCU的處理數據，通過RF射頻天線發送。
(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，是一款基于支持實時仿真的高性能、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個通用寄存器，實時計數器(RTC)，4個具有比較模式與PWM的靈活定時器／計數器(T／C)，2個USART，面向字節的兩線串行接口，8路10位具有可選查分輸入級可編程增益的ADC，看門狗定時器，一個SPI接口，JTAG接口，以及6個可以通過軟件進行選擇的省電模式，滿足無線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足以ZigBee為基礎的2．4GHz ISM免費波段的應用，同時滿足低成本，低功耗的要求。它結合一個高性能2．4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器，收發波特率250 Kb／s。CC2430在接收和發射模式下，電流損耗分別為27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合無線抄表這種要求電池壽命比較長的應用。接收數據時，當CC2430全部收到幀開始定界符SFD后，IRQ_SFD(中斷標志位寄存器)置1；當RXFIFO中有數據時，RFSTATUS．FIFO置1，數據為空時，置0；當RXFIFO中未讀過的字節超過編程設置在IOCFG0．FIFOP_THRRF_P的閾值時，RFSTATUS．FIFOP置1，反之，置0。RF_N兩個引腳顯示接收和發送數據狀態，RF_P引腳：接收時，正RF(射頻)輸入信號到LNA(低噪聲放大器)；發送時，接收來自PA(功率放大器)的正RF(射頻)信號。RF_N引腳：接收時，負RF(射頻)輸入信號到LNA(低噪聲放大器)；發送時，接收來自PA(功率放大器)的負RF(射頻)信號。CC2430通過SPI接口接收ATmega64L的時鐘信號和片選信號，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。
時鐘芯片：選用Philips公司的實時時鐘芯片PCF8563T，是一種低功耗CMOS時鐘芯片，提供一個可編程輸出、終端輸出和掉電檢測器，所有地址和數據都通過I2C總線接口串行傳輸，得到最大的總線傳輸速度。
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