基于ARM和Zigbee技术的无线抄表系统研究

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摘要:文章针对当前由于电力负载急剧增长带来的传统抄表方式难的问题,提出了一种基于嵌入式arm技术和新兴的低功耗、低成本zigbee技术的无线抄表系统,该系统通过ZigbeeMG2455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ARMS3C2410构建的无线抄表上位机对所抄电量进行汇总,最终实现对电量的无线采集。实验证明本系统拥有较低的漏抄率,同时极大的节省了传统抄表方式带来的人力和财力的消耗。

关键词:ARM;Zigbee;无线抄表;Linux;RS232;RS485

中图分类号:TM933

文献标识码:A

文章编号:1009-2374(2009)19-0035-02

随着电力负载的急剧增长,传统的抄表方式越来越困难,基于此国内外提出了一种无线抄表技术来取代传统的抄表方式。但目前流行的红外线和GPRS无线抄表技术都存在着传输距离短、付费使用频段等缺点,本文运用基于2.4GHz免费通信频段的Zigbee技术作为无线抄表系统的下位机采抄和传输工具,利用ARMLinux嵌入式系统对采抄的数据进行汇总,最终实现了一套完整的无线抄表系统的设计。图1为系统实现框图:

一、Zigbee系统对电表电量采集的实现

(一)硬件设计

Zigbee系统在本设计中主要分为终端设备和网关设备两部分,其中终端设备就是完成对电表数据的采抄工作,具体实现框图见图1。该部分是由单相电子式电能表和工控数据转换器及MG2455模块三部分组成的。

ZigbeeMG2455芯片是由韩国Radio Pulse公司生产的,具有增强标准的8051单片机特性,同时内置了ZigBee协议栈,有极高的接受灵敏度和抗干扰性能、支持数字化的接受信号强度指示器、超低功耗、电流消耗小、链路质量指示和传输距离远等特点。单相电子式电能表为哈尔滨电表仪器厂有限公司生产的DDS105型单相电子式电能表,该电表采用大规模集成电路,并采用SMT工艺,具有可靠性高、负载能力强、功耗低及便于监控等特点。而系统使用的工控数据转换器是深圳和鑫有限公司生产的HXSP-2108B有源接口转换器,该转换器主要完成RS485接口协议与RS232接口协议的转换,具有极高的转换稳定性。

(二)软件设计

图2为Zigbee终端与电表通信的软件设计流程图。由电表和无线收发模块组成的数据终端设备在整个系统中起着命令的接受和数据的采集传输的作用。终端设备的主要工作过程如下:首先对节点进行初始化,也就是对MG2455模块进行初始化,其工作包括定义系统的时钟信号、工作频率、电源管理方式、ZigBee网络层和MAC层的参数及I/O接口和外设的初始化。然后进入寻找网络阶段,即寻找上位机。如果在其信号所覆盖的范围内有网络存在并符合判断信息即加入到该网络。最后进入到等待命令状态,若没有接收到命令,则终端系统处于休眠状态。

二、ARM与Zigbee系统的通信

作为ARM与Zigbee系统通信的主要媒介,串口可以完成几乎所有指令的收发,虽然目前在ARM和Zigbee系统的通信方面还有诸如利用GPIO和SPI协议实现,但作为硬件设计和软件设计都最为常见的串口还是可以在短距离和低传输速率的领域中拥有极高的适用性。

(一)硬件设计

本部分主要是利用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的功能,通过ARM板载的SP3232E芯片和Zigbee无线系统上的MAX3221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。作为接收命令端的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ARMS3C2410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系统发出采抄电表的命令。因此本部分主要的软件实现就是Linux系统下的串口实现程序的设计。

(二)软件设计

因为ZigbeeMG2455为本设计的下位机,因此软件设计主要集中在对ARM板载的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2.6.x系列内核都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:

三、系统的实验与测试结果

对于本抄表系统的测试是在实验室内部环境中进行的,其中一个房间内放置了一台电脑和ARMS3C2410开发系统作为网关设备,两个终端设备以及验证终端设备数据的电脑分别安放在两个不同的地点且工作运转良好。当网关设备发送读取表的正向有功总电能的命令时,系统总是能及时快速的把命令传递给终端设备,并把终端设备传回来的数据显示出来。经过数十次反复验证实验模拟抄收,发现电表上显示的数据同终端验证电脑上显示的数据,及ARMS3C2410开发系统的数据一致。证明该系统在小范围内的运行相对稳定。

四、总结

实验证明,该设计可以完全实现无线抄表功能,同时软硬件设计简单实现方便、能获得满意的数据传输准确率和数据传输速率、低成本、低功耗,适于大规模推广应用。在其他需要无线数据传输的领域内也具有极高的适用性。

参考文献

[1]罗亮,等.ZigBee技术在ARM数控系统组网中的应用[J].兵工自动化,2008,(7).

[2]魏守包,唐慧强.基于嵌入式ARM-uClinux的ZigBee网络设计[J].仪表技术与传感器,2009,(1).

[3]赖中安.基于AT91RM9200的远程自动抄表系统设计[D].吉林大学硕士毕业论文,2007,(4).

作者简介:白涛(1984-),男,黑龙江哈尔滨人,东北农业大学硕士,研究方向:智能控制与自动化;张长利(1957-),男,黑龙江哈尔滨人,东北农业大学教授。