RF433MHz无线抄表系统设计_黎燕霞

仪器仪表用户
行各电表的数据读取。另外，还完成对电表数据封装 加密、用户数 据 设 置、跳 闸 控 制、接 受 远 程 控 制 等 功 能。RF433MHz 无线模块主要完成抄表终端与集中 器基站之间的无线通信，将数字三表的数据通过无线 射频方式送至集中器基站。
2 RF433MHz 通信模块硬件设计
2． 1 CC1020 工作原理 CC1020 是根据 Chipcon 公司的 SmartRF 技术，在
建筑物如居民楼内，抄表终端与集中器基站之间数据传输在 300m 左右时成功率可达 90%以上，在比较空旷的空间内传输
的效果会更好，本项技术具有良好的推广价值。
关键词： RF433MHz； 通信防碰撞技术； 抄表终端
中图分类号： TN492
文献标志码： A
Design of RF433MHz wireless meter reading system
据丢失，因此为了解决空中碰撞只能依靠通讯协议， 从软件上来避免空中数据的碰撞。在某一局域网络 中，如果能够保证它所属的终端设备不会在同一时刻 向基站提交数据，就不会产生数据碰撞。我们首先考 虑基站，按照上面所述的组网方式，在一个局域网中 仅有一台基站，因此基站向终端发送数据不存在数据 碰撞问题。我们主要考虑抄表终端向基站发送数据 时，抄表终端与抄表终端之间的数据碰撞问题。为了 解决数据碰撞问题，我们需要定制一定的通信机制， 见图 5。在这里我们采用了基站在空闲时向所有抄 表终端设备发送广播，当需要提交数据的抄表终端听 到广播后向基站注册，基站接收完注册帧后，根据注 册上来的抄表终端地址轮询终端设备并采集数据通 讯模式。在这一系列的过程中，会出现数据碰撞的情 况是在基站发送广播后，可能会有多个抄表终端同时 向基站注册。为了减低碰撞的发生，我们采取的措施 是在需要提交数据的抄表终端设备听到基站的广播 后，并不马上向基站发送注册帧，而是进入一个争用 窗口［7］，退避 N 个时序后再向基站发送注册。基于 上述的 RF433MHz-TDMA 通信协议，抄表终端与基站 之间则可实现以基站为中心的星型组网模式。
仪器仪表用户 doi： 10． 3969 / j． issn． 1671-1041． 2011． 04． 007
□科研设计成果□
RF433MHz 无线抄表系统设计
黎燕霞
（ 广东工业大学 华立学院，广州 511325）
摘要：本文采用 RF433MHz 通信防碰撞技术实现了抄表终端和集中器基站之间的无线组网。通过试验结果证明，在常见的
图 5 基站与抄表终端间通讯协议时序图
4 抄表试验结果
整个系统设计完成后，分别在空旷区域和一幢 6 层的居民楼上做了抄表试验，结果如表 1 所示。
表 1 抄表试验结果
抄表环境
空旷地 500 米，双 向通信 10000 次 居民楼 300 米，双 向通信 10000 次
数据长度 （ 字节）
30 100 30 100
家用电器的控制器中，成为家用电器的一个功能，也 能够实现对电器各项设定的完全控制，但这种方式需 要与家用电器的生产厂家合作来实现，这也是将来的 发展方向。该系统用于具有单片机控制的家用电器 的电话遥控，用户可通过任意一部双音多频电话（ 包 括手机，电话分机） 对自己家庭安装的各种电器（ 如 空调，微波炉，热水器等） 进行开机，停机等操作，能 够实现家居生活的舒适、安全、方便、节能，因此具有 广阔的应用前景。□
LI Yan-xia
（ Huali College，Guangdong University of Technology，Guangzhou 511325，China）
Abstract： The paper has achieved wireless networking between meter reading terminal and the base station concentrator by Anti-collision technology of RF433MHz communication． The experiment shows that the data transmission in the 300m or so between meter reading terminal and the base station concentrator is more than 90% success rate in the common structures such as residential building，the transmission would be better in the more open spaces． This technology has a good promotional value． Key words： RF433MHz； anti-collision technology of communication； meter reading terminal
0． 35 m CMOS 工艺下制造的一种理想的超高频单片 收发通信芯片。它具有低电压、极低的功耗、可编程 输出功率、高灵敏度、封装小、集成位同步等特点、其 FSK 数据传输数据可达 115200b / s［3］，具有 250Hz 步 长的可编程频率控制能力，适用于跳频协议。其内部 电路结构 框 图 如 图 3 所 示。电 路 主 要 设 定 在 315、 433、868、915MHz 频率波段。RF 收发器集成了一个 高度可配置的调制解调器，并支持不同的调制格式。 CC1020 用作一个低 IF 接收器，接收的 RF 信号通过 低噪声放大器（ LNA） 放大，放大后翻转进入混频器， 通过混频器混频产生中间频率（ It） 信号。在中频处 理阶段，该信号在送入解调器之前被放大和滤波，之 后信号通过 ADC 被数字化。自动增益控制 （ AGC） ［4］，细微频率滤波和解调位 / 数据包同步均数字化地 工作。CCllOO 的发送器部分基于 RF 频率的直接合 成。频率合成器包含一个完整的芯片 LCVCO 和一个 对接收模式下的向下转换混频器产生 I 以及 QLO 信 号的 90 相移装置［6］。将一块晶体连接在 XOSC—Q1 和 XOSC—Q2 上。晶体振荡器产生合成器的参考频 率，同时为数字部分和 ADC 提供时，一个 4 线 SPI 串 联接口被用作配置和数据缓冲通路。数字基带包括 频道配置支持、数据包处理及数据缓冲。
图 2 家居三表内部结构图
ATMEGA128 作为控制器单元，采用轮询技术进
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图 3 CC1020 内部原理图
2． 2 CC1020 接口技术 在 RF433MHz 通信模块中，CC1020 与一个微控
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CC1020 采用 SPI 接口方式设置内部的结构配置 寄存器，每个寄存器的位长为 8 位，一共有 33 个结构 配置寄存器。一次完整的配置 CC1020 无线通信 IC， 需要 33 帧数据，每帧 16 位（ Address（ 地址） 7 位，R / W（ 读 / 写） 1 位，Data（ 数据） 8 位） 。一次完整配置所 需要的时间取决于 PCLK 频率。如果 PCLK 频率为 10MHz，完成一次完整配置少于 53us。
配置 CC1020 寄存器时，在每个写周期，16 位数 据被发送到 PDI 上。每个数据帧 A0 ～ A6 为地址位。 A6 是地址的 MSB（ Most Significant Bit） 位，并被首先 发送，A0 最后发送。之后发送的是 1 位的 R / W 位， 高电平表示写操作，低电平表示为读操作。当 8 位数 据发送完以后，紧随其后发送 D7 ～ D0 的数据位，就 这样一帧数据帧发送完成。在地址与数据传送期间， 片选 PSEL 必须为低电平。PDI 上的数据在 PCLK 的 负跳沿改变，当数据的最后一位 D0 写入以后，数据 字就自动装入内部结构配置寄存器。
它们与 GPRS 通信技术结合构成区域性无线通信网 络，使整个抄表系统更加高效、可靠、经济。
1 抄表系统设计
1． 1 无线抄表系统结构设计 本文中提及的无线抄表系统结构如图 1 所示。整
个 抄 表 系 统 由 RF433MHz 水、电、气 表 终 端、 RF433MHz 集中器基站、抄表工作站及数据服务器构 成。每一个集中器基站作为网络调协器与它周围的 三表终端形成一个独立的局域网络，每一个局域网络 中有数十台三表终端。为了保证相互邻近的两个局
通信成功率 （ %） 100 100 100 97
响应时间 （ 秒） 1 2 ～3 1 ～3 1 ～5
图 4 CC1020 接口原理图
3 RF433MHz 通信防碰撞实现
由于 CC1020 无线收发芯片没有冲突检测功能， 如果在同一频道有两个或两个以上射频模块同一时 间发送时，必然会发生空中数据相互碰撞［5］，造成数
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参考文献
［1］ 王瑞刚． IP 电话终端设备原理电路及应用［M］． 西 安： 西安电子科技大学出版社，2006： 59-64．
［2］ 李朝青． 单片机原理及接口技术． 第四版［M］． 北 京： 北京航空航天大学出版社，2008： 16-28．
［3］ 张友生． 远程控制编程技术［M］． 北京： 电子工业出 版社，2005．
仪器仪表用户
□科研设计成果□
制器相连接，连接示意图如图 4 所示。PCLK 为 SPI 设置 CC1020 内部寄存器时钟，PDI 是 SPI 设置数据 输入端口，PDO 为 SPI 设置数据输出端口。DIO 的功 能是： 当 CC1020 处于发射模式时，该端口为数据输 入，然而，当 CC1020 处于接收模式时，该端口的作用 是数据输出。LOCK 引脚可以判断 CC1020 内部锁相 环频率是否已经锁定。当频率锁定时，该引脚表现为 低电平。
图 1 抄表系统结构图
1． 2 RF433MHz 水、电、气表内部结构 三表终端的内部结构示意图如图 2 所示： 终端主
要由三部分组成，即 RS485 串行集线器、控制器单元 以及 RF433MHz 通信的无线模块。RS485 串行集线 器主 要 把 电 表 箱 的 电 表 系 统 组 成 一 个 分 布 式 网 络［2］，完成电 表 的 识 别 和 标 识，读 取 电 表 数 据 等 工 作。串行集 线 器 根 据 一 个 电 表 箱 的 实 际 情 况，实 现 1 ～ 10 个数字表接口。
作者简介：孙莹，女，教授，从事电子技术、交换技术、移动通信 教学及单片机应用研究。 收稿日期：2011-01-22
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□科研设计成果□ 域网络中的数据交互不会相互干扰，相互邻近的两个 或者多个 局 域 网 络 使 用 交 错 的 频 段 进 行 通 信［1］，并 以 430. 15MHz 作为频道的起点频率，每间隔 500kHz 作为一个新频点，频道号从 0x00 ～ 0xFF，不同的频道 号代表不同的工作频点。局域网中的每一台终端设 备都具有唯一的终端地址，地址用一个字节表示，地 址号从 0x00 ～ 0xFF，用来识别三表终端的身份。局 域网中的抄表数据统一由集中器基站收集，之后基站 通过以太网将数据送达抄表工作站暂存。多个抄表 工作站通过路由器、交换机、网桥等设备最终连接到 共同的中央数据短距离、低功耗的无线 通信技术） 为代表的射频通信技术得到了抄表行业 的广泛重视。RF433MHz 无线通信技术以其低成本、 低功耗、数据传输可靠性高、网络容量大无线通信距 离适中等特点，被抄表生产企业所看好。本文中采用 基于这一技术的美国 TI 公司低功耗无线通信芯片 CC1020 来实现无线抄表系统，其通信距离可达 1000 m，有建筑物等遮挡时可靠距离可达 350 m 左右。研 制了智能水、电、气表数据采集终端和与其相适应的 集中装载—基站，并实现了防碰撞通信同步协议，由