1、毕业设计开题报告 电子信息工程 基于 ZIGBEE 技术的无线抄表系统的设计 1 选题的背景、意义 ZigBee 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。采取了 IEEE802.15.4 强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本低的规格； ZigBee 增加了逻辑网络、网络安全和应用层。 ZigBee 的应用范围也非常广泛。无线传感网络 WSN；智能交通、油气产生遥测遥控通信系统；农田耕作、环境监测、水利水文监测无线通信；对患病、设备及设施进行医疗和健康监控；家庭监控、 HVAC、安防 报警系统运用等。 随着城市居民住宅建设日益发展 ,电能表数量迅速
2、增多 ,抄表计量也日趋复杂。在我国 ,对居民电表仍采用人工抄表的方法 ,这种原始的抄表方法不仅造成了人力、物力的浪费。而且在抄表时会打扰居民的正常生活 ,甚至给居民带来安全隐患。这种抄表方式不但费时费力 ,而且准确性和及时性也不理想，因此设计此系统替代原有的人工抄表。 ZigBee 网络节点实现了无线抄表系统的低功耗、低成本 ,并具有高度的灵活性和可扩展性。 本课题研究的是基于 ZigBee 技术的无线抄表系统的设计 ,CC2430 芯片的应用。 2 相关研究的最新成果及 动态 ZigBee 发展非常迅速，所以应用范围也非常广泛。 2.1 智能家庭领域： 可以应用于家庭的照明、温度、安全、控制
3、等。 ZigBee 模块可安装在电视、灯泡、遥控器、空调系统等家电产品。通过 ZigBee 终端设备可以手机家庭各种信息，传送到中央控制设备，或是通过遥控达到远程控制的目的，停工家居生活自动化、网络化、智能化。 2.2 工业领域： 通过 ZigBee 网络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，以利工厂整体信息的掌握，如火警的感测和通知，照明系统的感测等都可以由 ZigBee 网络提供相关 信息，从而达到工业与环境控制的目的。 2.3 智能交通： 街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量 ZigBee 终端设备，死寂将不再担心迷路。像 GPS 一样提供导航系统。但是 ZigBe
4、e 分布式系统能够提供更精确更具体的信息。即使在 GPS 未覆盖的地方，仍能继续是用此系统。 当然， ZigBee 技术还能应用与医学，科研等其他领域。随着技术的不断发展，这项技术还会应用到更多的领域中，并且得到普及。 2.4 个人健康看护方面 可随时了解病人监看系统、健康监视系统之状态，用于对家中病人的监控，观察病人状态是否正常以便作出反应。 2.5 建筑自动化方面 可降低运营成本，如：遍布 空调 供暖 (HVAC， Heating and Air Conditioning)设备，并在每台空调设备上都加上一个 ZigBee 节点，就能对空调系统进行实时控制与节约能源。 2.6 个人 电信 服
5、务方面 在电信服务方面，透过 手机 上的 ZigBee 芯片，将手机作为 ZigBee 传感器网络的网关器，实现对数字家庭的自动化控制或进行行动商务 (如：手机购物 )等功能。 2.7 安全监控方面 包括设备管理、环境监测及人员进出控制等应用，以协助店家、住户进行安全管理，透过各种传感器，如 ：窗户破碎侦测、装置烟雾侦测器等设备，达到安全监控之目的。 长期以来低速率、低成本、低功耗的无线通讯市场一直存在着并占有一定的无线位置。 ZigBee 技术依据 IEEE802.15.4 规范并以一种经济、高效、低数据速率（ 250kbps）、频率为 2.4GHz 的无线技术为标准。在数千个微小的传感器间
6、相互协调并实现通信。因此它们的通信效率非常高。换一种说法可理解为 ZigBee是市场需求的一种高新技术，并且已经步入成熟化轨道。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 3.1 采取的研究 方法 :理论分析，计算分析，实验验证等方法。 （ 1）线路板的设计，无线数据通信与控制，数据采集，网状连接的建立，五部分软、硬件的设计调试同时进行，以缩短开发周期。 （ 2） 为保证高性能、低成本、低功耗：设计芯片采用 CC2430；用 ZigBee协议组建无线网络；利用 IAR Embedded Workbench编写控制软件。 （ 3） 为了使系统具有高维护性和信息传
7、输的可靠性，系统兼进行模块化结构设计，并提供手提试通信检修设备。 3.2 研究难点：小区抄表的特点是覆盖范围比较大，因此，需要需要大量的ZigBee终端节点 ，这些节点的信息集中在一个 ZigBee中心节点，中心节点通过GPRS或者 CDMA与数据中心连接。而节点的设计尤为重要。 3.2.1 ZigBee无线网络节点的硬件总体设计 图为 ZigBee无线网络节点的硬件系统总体框图，该系统由 CC2430器件模块和无线收发模块组成。 CC2430射频 器件模块由 CC2430器件和相关外围电路构成。虽然 CC2430内部集成有无线收发器和 805l内核，可以简化电路设计，在 单片机 和无线收发器
8、之间不加接口电路也能通信，但通信距离有限。经测量发现，两个网络节点在空旷地面的通信距离是 lO 100 m，这个距离有时不能满足应用需要。在 CC2430器件与天线之间加一级接口电路即无线收发模块，用来放大接收和发送信息的功率，从而加大数据传送距离 ZigBee无线网络节点的硬件系统总体框图 3.2.2 CC2430器 件模块 该模块主要包括 3 3 V和 1 8 V电源 滤波电路、芯片晶振电路、巴伦电路和复位电路。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供，这里由内部电路提供，需外加晶体振荡器和 2个负载 电容 ，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。 R2和 R3为偏置电
9、阻，电阻 R3主要用来为 32 MHz的晶振提供合适的工作电流。用 1个 32 MHz的石英谐振器 (X1)和 2只电容 (C9和 C10)构成 1个 32 MHz的晶振电路。用 1个 32 768 kHz的石英谐振器 (X2)和 2个电容 (C7和 C8)构成 1个 32 768 kHz的晶振电路。 CC2430射频信号的收发采用差分方式传送，其最佳差分负载是 115+j180 ，阻抗匹配电路应根据该数值进行调整。设计采用 50单极子天线，由于 CC2430的差分射频 端口具有两个端口，而天线是单端口，因此需采用巴伦电路 (平衡非平衡转换电路 )完成双端口到单端口的转换。巴伦电路由电感 (L
10、1、 L2， L3)和电容 (C15、 C17、 C26)构成。 CC2430器件模块电路原理图 3.2.3 无线收发模块 CC2430发送数据时，信号从差分射频端口 RF_P、 RF_N经巴伦电路变为单端信号，由 RXTX_SWITCH信号控制 2个逻辑开关，选通功率放大电路 (PA)，放大后的信号从天线发射出去。接收信号时，在 RXTX_SWITCH信号控制下，从天线接收的信号经低噪声放大电路 (LNA)放大，巴伦电路转换，由 RF_P、 RF_N端口接收。图 3为无线收发模块与 CC2430的连接框图。 无线收发模块电路原理图 3.2.4 低噪声功率放大电路采用 Bubec 公司的 UA
11、2723，该器件采用 3 3 v 电源供电，内部输入输出均已匹配到 50 ，设计时无需阻抗匹配，频率范围是 0 054 GHz，在 2 2 GHz 时功率增益是 20 dB，在 2 5 GHz 时 1 dB 压缩点输出功率大于 -1 5 dBm。 为了保证低噪声功率 放大器 的灵敏度， 3.3 V 电源经 Richtek 公司的超低噪声，低静态电流电源调整器 RT919333PB 调整后再送给 UA2723. 低噪声功率放大器的供电电路 3.2.5 ZigBee无线网络节点的软件设计 ZigBee协议栈 ZigBee信道分配 网络的建立与加入 数据的发送与接收 3.3 预期目标：可以对小区内每
12、一家用户进行抄表。并将数据传输到数据中心，从而进行相关的处理。 4 研究工作详细进度和安排 2010 年 12 月 -2011 年 1 月，整理相关资料，确定系统完成的主要功能 2011 年 2 月 -2011 年 4 月，进行详细的系统分析 2011 年 4 月 -2011 年 5 月，系统开发、代码设计、修改以及优化阶段 2011 年 5 月完成毕业设计 5 参考文献 1任丰原，黄海宁，林闯 .无线传感器网络 J.软件学报 2003， 14（ 7） . 2孙亭，杨永田，李立宏 .无线传感器网络技术发展现状 J.电子技术应用， 2006（ 6） . 3李建中，高宏 .无线传感器网络的研究进展
13、 J.计算机研究与发展，2008， 45（ 1） . 4使用彬，叶湘滨，刘 培亮 .无线传感器网络技术研究现状 J.国外电子测量技术， 2008， 24（ 11） . 5李善仓，张克旺 .无线传感器网络原理与应用 M.北京：机械工业出版社， 2008. 6彭立，徐红漫 .发展中的 IEEE802.15.4J.现代电信科技， 2004（ 4） . 7Xilinx.The Programmable Logic Data Book,2003 8孙一茂，陈利学 .ZigBee 技术在无线传感器网络中的应用 J.现代电子技术， 2008， 2. 9凌志浩，周怡，郑丽国 .ZigBee 无线通信技术 及其
14、应用研究 J.华东理工大学学报（自然科学版）， 2006， 32（ 7） 10Mark Zwolinski.Digital System Design with VHDL,2000 11瞿雷，刘盛德，胡咸斌 .ZigBee 技术及应用 M.北京：北京航空航天大学出版社， 2007. 12王福豹，史龙，任丰原 .无线传感器网络中的自身定位系统和算法 J.软件学报 .2005， 16（ 5）： 857-868. 13孙利民，李建中，陈渝 .无线传感器网络 M.北京：清华大学出版社，2005.5. 14李 文仲，段朝玉等 .ZigBee 无线网络技术入门与实战 M.北京：北京航空航天大学出版社， 2007. 15蒋挺，赵成 .紫蜂技术及其应用 M.北京：北京邮电大学出版社， 2008.
