一種基于ZigBee技術遠程無線抄表系統(tǒng)的實現(xiàn)

黃澤界

摘 要： 為了解決傳統(tǒng)抄表方式低效、易出錯的問題，提出了一種基于ZigBee技術和GPRS技術的低成本、低功耗電力抄表系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的總體構成，對硬件系統(tǒng)中的終端采集節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點進行了設計，并給出了程序流程圖。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對用戶電能表數(shù)據(jù)信息高效、快速和可靠的遠程采集，提高了電力抄表效率。

關鍵詞： ZigBee； GPRS； 無線抄表系統(tǒng)； CC2530

中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）11?0019?03

Abstract： A low cost and low power consumption electricity meter reading system based on ZigBee technology and GPRS technology is put forward to solve the problems that traditional meter reading methods are inefficient and error prone. The gene?ral structure of the system is described. The terminal acquisition node， routing node and coordinator node in the hardware system are designed. The program flow chart is given. The remote data information acquisition with high efficiency and high reliability for users′ electric energy meters was implemented by the system， which improves the efficiency of electric power meter reading.

Keywords： ZigBee； GPRS； wireless meter reading system； CC2530

當前，國內(nèi)采用的抄表方式主要有兩種，一種是傳統(tǒng)的人工抄表，這種方式中，供電中心的工作人員需要到用戶所在地逐戶抄表，然后再將這些數(shù)據(jù)錄入供電中心的計算機進行處理和存儲，這種抄表方式即費時費力，又易于出錯；另一種抄表方式是自動抄表，自動抄表又分為有線和無線兩種方式，有線自動抄表系統(tǒng)增加了綜合布線的難度和費用，降低了系統(tǒng)應用的靈活性，因此難以得到推廣和應用。無線抄表系統(tǒng)利用無線通信技術，實現(xiàn)集中抄表，相較而言，具有先天的優(yōu)勢，但系統(tǒng)的能耗、實時性和可靠性等方面還亟需進一步提高。本文設計了一種基于ZigBee技術和GPRS技術的遠程無線抄表系統(tǒng)，作為低功耗、低成本的無線傳感技術，ZigBee網(wǎng)絡可容納65 000個節(jié)點[1?3]。在一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在多個ZigBee網(wǎng)絡，該系統(tǒng)有效克服了以上幾種抄表方式的缺陷，具有無需布線、功耗低、可靠性高、實時性強等優(yōu)點。

1 遠程抄表系統(tǒng)總體設計

抄表系統(tǒng)整體結構如圖1所示，包括終端采集節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點以及中央監(jiān)控計算機。

終端采集節(jié)點包括電能表和ZigBee終端節(jié)點，它們通過RS 485總線連接，當接收到抄表命令時，終端采集節(jié)點采集電能表數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點，路由節(jié)點再把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，由協(xié)調(diào)器節(jié)點通過GPRS網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)發(fā)送到中央監(jiān)控計算機。中央監(jiān)控計算機接收、處理并存儲電表數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行管理，查看電表狀態(tài)和用戶用電記錄等信息[4?5]。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 終端采集節(jié)點設計

由于終端采集節(jié)點是用戶設備，因此對價格十分敏感，而且ZigBee收發(fā)器要和電能表一起使用，對體積也有較高要求，因此這里選用高度整合的SOC芯片CC2530作為無線收發(fā)器和數(shù)據(jù)處理器[6]。CC2530是用于IEEE 802.15.4/ZigBee應用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530片上系統(tǒng)的功能模塊集成了高性能、低功耗的具有代碼預取功能的8051微控制器內(nèi)核、RF收發(fā)器、32 KB/64 KB/128 KB/256 KB FLASH、8 KB SRAM等高性能模塊。還包含A/D轉(zhuǎn)換器、定時器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、高級加密標準（AES）安全協(xié)處理器、USART、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O口。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)[7]。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗，可以滿足節(jié)點低成本、低功耗和體積小的要求。為了進一步減小節(jié)點體積，設計中使用PCB無線收發(fā)天線。終端采集節(jié)點結構如圖2所示，CC2530通過MAX485芯片和帶有RS 485總線的電表連接[8]。當終端采集器接收到命令后，采集電能表中的數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)發(fā)射到路由節(jié)點。

2.2 路由節(jié)點設計

路由節(jié)點是基于CC2530設計的，主要負責維護一個路由表和一個路由發(fā)現(xiàn)表，參與數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護，以及關聯(lián)其他節(jié)點來擴展網(wǎng)絡。通常由于實際應用中路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點距離較遠，因此選用CC2591射頻放大集成電路對信號進行放大以拓展通信范圍[9]，在發(fā)射信號時，增加信號強度，最大發(fā)射功率可達22 dBm，在接收信號時，能提高靈敏度6 dB，保證了數(shù)據(jù)傳輸可靠性和網(wǎng)絡結構的穩(wěn)定性。路由節(jié)點電路連接圖如圖3所示。將CC2591的HGM引腳接到高電平，是為了在接收時能獲得高增益。

2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點設計

協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個網(wǎng)絡的主要控制者，負責建立新的網(wǎng)絡、發(fā)送網(wǎng)絡信標、管理網(wǎng)絡中的節(jié)點以及存儲網(wǎng)絡信息等，它與中央監(jiān)控計算機之間的通信采用GPRS方式，另外，為了方便系統(tǒng)的維護，協(xié)調(diào)器節(jié)點還需有USB通信接口，以方便手持式通信器的接入。因此選用CC2531F256作為協(xié)調(diào)器節(jié)點的主控芯片，該芯片擁有USB 2.0端口，1 KB FIFO RAM的雙緩沖，256 KB閃存塊。其余功能與CC2530類似。GPRS通信模塊選用SIM300，該芯片是工業(yè)級手機模塊，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，并且擴展了TCP/IP AT指令，支持1.8 V和3 V兩種類型的SIM卡，使用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設備變得非常簡單方便，SIM300提供了兩個不平衡異步操作串口，可以很方便地和CC2531F256進行連接，CC2530通過AT指令對SIM300進行操作。協(xié)調(diào)器節(jié)點結構如圖4所示。

3 軟件流程設計

3.1 終端采集節(jié)點和路由節(jié)點流程設計

終端采集節(jié)點主要功能是接收到數(shù)據(jù)采集命令后，采集電能表數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由節(jié)點。路由節(jié)點的主要功能是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，根據(jù)它們的功能描述，設計程序流程如圖5所示。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點流程設計

協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程圖設計如圖6所示。

協(xié)調(diào)器節(jié)點負責網(wǎng)絡的建立和管理，當ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點建立一個新網(wǎng)絡時，首先掃描信道，尋找網(wǎng)絡中的一個空閑信道來建立新的網(wǎng)絡。如果找到了合適的信道，ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點會為新網(wǎng)絡選擇一個PAN標識符，PAN標識符是用來標識整個網(wǎng)絡的，因此所選的PAN標識符必須在信道中是惟一的。 一旦選定了PAN標識符，就說明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡，之后如果另一個ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點掃描該信道，這個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)節(jié)點就會響應并聲明它的存在。另外，這個ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點還會為自己選擇一個16 b網(wǎng)絡地址。ZigBee網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都有一個64 b IEEE擴展地址和一個16 b網(wǎng)絡地址[10]，其中，16 b的網(wǎng)絡地址在整個網(wǎng)絡中是惟一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。在協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡后，將處于低功耗等待狀態(tài)，當有上行數(shù)據(jù)時，協(xié)調(diào)器產(chǎn)生中斷接收數(shù)據(jù)，通過GPRS把數(shù)據(jù)發(fā)送到中央監(jiān)控計算機。如果有下行數(shù)據(jù)或命令時，協(xié)調(diào)器產(chǎn)生中斷，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)/命令或者執(zhí)行命令。

4 結 語

本文基于近距離無線通信ZigBee技術和遠距離無線通信GPRS技術設計了一種低成本、低功耗的遠程集中抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)維護、安裝方便，實現(xiàn)了對用戶電能表數(shù)據(jù)信息高效、快速和可靠的遠程采集，提高了抄表效率。便于供電中心管理和調(diào)度，實時掌握用戶用電狀態(tài)和信息。

參考文獻

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[6] 李外云.CC2530與無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)TinyOS應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

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[8] 龍玉湘，章兢，戴瑜興.基于ZigBee的無線抄表系統(tǒng)的集中器設計[J].低壓電器，2007（20）：14?17.

[9] 周鑫，朱向東，于秀波.ZigBee遠程無線抄表系統(tǒng)的設計[J].自動化儀表，2013（3）：31?33.

[10] 鮑衛(wèi)兵，陳偉杰，朱向軍.基于ZigBee的無線抄表系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2013（2）：34?37.

2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點設計

協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個網(wǎng)絡的主要控制者，負責建立新的網(wǎng)絡、發(fā)送網(wǎng)絡信標、管理網(wǎng)絡中的節(jié)點以及存儲網(wǎng)絡信息等，它與中央監(jiān)控計算機之間的通信采用GPRS方式，另外，為了方便系統(tǒng)的維護，協(xié)調(diào)器節(jié)點還需有USB通信接口，以方便手持式通信器的接入。因此選用CC2531F256作為協(xié)調(diào)器節(jié)點的主控芯片，該芯片擁有USB 2.0端口，1 KB FIFO RAM的雙緩沖，256 KB閃存塊。其余功能與CC2530類似。GPRS通信模塊選用SIM300，該芯片是工業(yè)級手機模塊，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，并且擴展了TCP/IP AT指令，支持1.8 V和3 V兩種類型的SIM卡，使用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設備變得非常簡單方便，SIM300提供了兩個不平衡異步操作串口，可以很方便地和CC2531F256進行連接，CC2530通過AT指令對SIM300進行操作。協(xié)調(diào)器節(jié)點結構如圖4所示。

3 軟件流程設計

3.1 終端采集節(jié)點和路由節(jié)點流程設計

終端采集節(jié)點主要功能是接收到數(shù)據(jù)采集命令后，采集電能表數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由節(jié)點。路由節(jié)點的主要功能是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，根據(jù)它們的功能描述，設計程序流程如圖5所示。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點流程設計

協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程圖設計如圖6所示。

協(xié)調(diào)器節(jié)點負責網(wǎng)絡的建立和管理，當ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點建立一個新網(wǎng)絡時，首先掃描信道，尋找網(wǎng)絡中的一個空閑信道來建立新的網(wǎng)絡。如果找到了合適的信道，ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點會為新網(wǎng)絡選擇一個PAN標識符，PAN標識符是用來標識整個網(wǎng)絡的，因此所選的PAN標識符必須在信道中是惟一的。 一旦選定了PAN標識符，就說明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡，之后如果另一個ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點掃描該信道，這個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)節(jié)點就會響應并聲明它的存在。另外，這個ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點還會為自己選擇一個16 b網(wǎng)絡地址。ZigBee網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都有一個64 b IEEE擴展地址和一個16 b網(wǎng)絡地址[10]，其中，16 b的網(wǎng)絡地址在整個網(wǎng)絡中是惟一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。在協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡后，將處于低功耗等待狀態(tài)，當有上行數(shù)據(jù)時，協(xié)調(diào)器產(chǎn)生中斷接收數(shù)據(jù)，通過GPRS把數(shù)據(jù)發(fā)送到中央監(jiān)控計算機。如果有下行數(shù)據(jù)或命令時，協(xié)調(diào)器產(chǎn)生中斷，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)/命令或者執(zhí)行命令。

4 結 語

本文基于近距離無線通信ZigBee技術和遠距離無線通信GPRS技術設計了一種低成本、低功耗的遠程集中抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)維護、安裝方便，實現(xiàn)了對用戶電能表數(shù)據(jù)信息高效、快速和可靠的遠程采集，提高了抄表效率。便于供電中心管理和調(diào)度，實時掌握用戶用電狀態(tài)和信息。

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2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點設計

協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個網(wǎng)絡的主要控制者，負責建立新的網(wǎng)絡、發(fā)送網(wǎng)絡信標、管理網(wǎng)絡中的節(jié)點以及存儲網(wǎng)絡信息等，它與中央監(jiān)控計算機之間的通信采用GPRS方式，另外，為了方便系統(tǒng)的維護，協(xié)調(diào)器節(jié)點還需有USB通信接口，以方便手持式通信器的接入。因此選用CC2531F256作為協(xié)調(diào)器節(jié)點的主控芯片，該芯片擁有USB 2.0端口，1 KB FIFO RAM的雙緩沖，256 KB閃存塊。其余功能與CC2530類似。GPRS通信模塊選用SIM300，該芯片是工業(yè)級手機模塊，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，并且擴展了TCP/IP AT指令，支持1.8 V和3 V兩種類型的SIM卡，使用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設備變得非常簡單方便，SIM300提供了兩個不平衡異步操作串口，可以很方便地和CC2531F256進行連接，CC2530通過AT指令對SIM300進行操作。協(xié)調(diào)器節(jié)點結構如圖4所示。

3 軟件流程設計

3.1 終端采集節(jié)點和路由節(jié)點流程設計

終端采集節(jié)點主要功能是接收到數(shù)據(jù)采集命令后，采集電能表數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由節(jié)點。路由節(jié)點的主要功能是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，根據(jù)它們的功能描述，設計程序流程如圖5所示。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點流程設計

協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程圖設計如圖6所示。

協(xié)調(diào)器節(jié)點負責網(wǎng)絡的建立和管理，當ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點建立一個新網(wǎng)絡時，首先掃描信道，尋找網(wǎng)絡中的一個空閑信道來建立新的網(wǎng)絡。如果找到了合適的信道，ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點會為新網(wǎng)絡選擇一個PAN標識符，PAN標識符是用來標識整個網(wǎng)絡的，因此所選的PAN標識符必須在信道中是惟一的。 一旦選定了PAN標識符，就說明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡，之后如果另一個ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點掃描該信道，這個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)節(jié)點就會響應并聲明它的存在。另外，這個ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點還會為自己選擇一個16 b網(wǎng)絡地址。ZigBee網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都有一個64 b IEEE擴展地址和一個16 b網(wǎng)絡地址[10]，其中，16 b的網(wǎng)絡地址在整個網(wǎng)絡中是惟一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。在協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡后，將處于低功耗等待狀態(tài)，當有上行數(shù)據(jù)時，協(xié)調(diào)器產(chǎn)生中斷接收數(shù)據(jù)，通過GPRS把數(shù)據(jù)發(fā)送到中央監(jiān)控計算機。如果有下行數(shù)據(jù)或命令時，協(xié)調(diào)器產(chǎn)生中斷，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)/命令或者執(zhí)行命令。

4 結 語

本文基于近距離無線通信ZigBee技術和遠距離無線通信GPRS技術設計了一種低成本、低功耗的遠程集中抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)維護、安裝方便，實現(xiàn)了對用戶電能表數(shù)據(jù)信息高效、快速和可靠的遠程采集，提高了抄表效率。便于供電中心管理和調(diào)度，實時掌握用戶用電狀態(tài)和信息。

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