基于ZigBee技術(shù)的住宅小區(qū)遠(yuǎn)程電能抄表系統(tǒng)研究*

魏立明 常 闖 龍 江

(1:吉林建筑工程學(xué)院電氣與電子信息學(xué)院，長(zhǎng)春 130118;2:湖南省岳陽電業(yè)局，岳陽 414000)

0 引言

隨著住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于小康型城鄉(xiāng)住宅科技產(chǎn)業(yè)工程城市示范小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則文件相關(guān)政策的出臺(tái)，遠(yuǎn)程智能化抄表成為此系統(tǒng)工程重要的組成部分，將起著不可低估的作用［1］.住宅小區(qū)中每個(gè)住戶家中的計(jì)量表其安裝位置各異，有些表(如電表)需要集中安裝，有些表(如水表)卻需要分散在住戶家中，這樣就給管理部門的抄表統(tǒng)計(jì)工作帶來麻煩.如果逐戶抄表時(shí)要耗費(fèi)很多人力和時(shí)間，而且入戶抄表很難一次完成，有時(shí)只能估計(jì).自動(dòng)抄表技術(shù)可從根本上解決入戶抄表收費(fèi)給用戶和抄表人員帶來的麻煩，避免許多不必要的糾紛，準(zhǔn)確而便捷的收費(fèi)系統(tǒng)，提高相關(guān)管理部門的工作效率［2］.本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)程電能抄表存在的問題，提出了基于ZigBee技術(shù)遠(yuǎn)程電能抄表系統(tǒng)，著重進(jìn)行了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)也對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行了選型.

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種新興的無線通信技術(shù)，它是一個(gè)由多達(dá)65 000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)之間可相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里.另外，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可與其它的各種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接.ZigBee技術(shù)主要特點(diǎn)表現(xiàn)在短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度等幾個(gè)方面.ZigBee采取了強(qiáng)有力的無線物理層所規(guī)定的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，其在省電、簡(jiǎn)單、低成本的基礎(chǔ)上，增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層.ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，包括無線數(shù)據(jù)采集、無線工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制等場(chǎng)合［3］.ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，可以靈活確定其安全屬性.ZigBee節(jié)點(diǎn)包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備(FFD)、精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)三類節(jié)點(diǎn).網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收終端設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)接收器的設(shè)備.ZigBee網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過FFD接力傳送，可以擴(kuò)展成其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星型、樹型、網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu).ZigBee網(wǎng)絡(luò)通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立，協(xié)調(diào)器初始化后，首先搜索附近的是否有其他的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立的網(wǎng)絡(luò)，如果有就加入該網(wǎng)絡(luò)，否則就會(huì)選擇一個(gè)唯一的16位PAN ID建立ZigBee網(wǎng)絡(luò).

2 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要由電能表、采集器、集中器、監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，以及連接設(shè)備的數(shù)據(jù)通信方式組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示.由圖1可以看出，系統(tǒng)主要分為4部分:第1部分是管理中心及管理中心的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器;第2部分是遠(yuǎn)程抄表集中器及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器;第3部分主要是采集器;第4部分是帶有通信接口的電能表.第1部分和第2部分可通過各種類型的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)和無線通信網(wǎng)絡(luò)等，因此，可以組建各種不同的自動(dòng)抄表系統(tǒng).從集中器的角度看，第2部分與第1部分和第2部分與第3，4部分之間主要包括上行信道和下行信道，在上行信道中，集中器利用GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)通信，其信道符合DLMS通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在下行信道中，集中器和采集器之間利用無線收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)通信.第2部分和第3，4部分之間可通過電話線、低壓電力載波線和無線方式獲取電能表上電量，信道按照ZigBee協(xié)議和DL/645.1997規(guī)約讀取電能表上的讀數(shù).

本文中所設(shè)計(jì)的抄表系統(tǒng)整體采用分布式體系結(jié)構(gòu)，監(jiān)控中心與集中器通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，監(jiān)控中心與集中器之間采用星型結(jié)構(gòu)連接;集中器與采集器之間通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的CC ll00收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，集中器與采集器采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接.采集器與電表之間通過RS 485串口進(jìn)行通信.本系統(tǒng)的工作過程如下:電能表經(jīng)過采集器和集中器，通過一定的傳輸方式，將電能數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控中心，然后由監(jiān)控中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理和統(tǒng)計(jì)等.在無線抄表系統(tǒng)中，首先在建立好上層和下層通信信道的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)監(jiān)控中心發(fā)出抄表指令，集中器通過GPRS網(wǎng)絡(luò)收到監(jiān)控中心的抄表指令后，判斷是否發(fā)送給自己的抄表指定，如果是發(fā)送給自己的抄表指定，才向采集器發(fā)送抄表指令.集中器必須要開通SIM卡的GPRS服務(wù)，還要對(duì)GPRS模塊進(jìn)行波特率、接入點(diǎn)名稱等設(shè)置.集中器進(jìn)行初始化后，會(huì)首先形成以自己為中心的網(wǎng)絡(luò)，并給每個(gè)加入網(wǎng)絡(luò)的采集器分配6個(gè)字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)地址.在其建立網(wǎng)絡(luò)成功后，等待主控中心發(fā)送抄表指令，當(dāng)收到指令后，集中器查看目的節(jié)點(diǎn)是否鄰居節(jié)點(diǎn)，如果是，向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送抄表指令，如果不是，則查找路由表，查找目的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址信息，向下一節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀包含該目的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址.如果該目的節(jié)點(diǎn)不在的網(wǎng)絡(luò)地址信息不存在時(shí)，表明該目的節(jié)點(diǎn)不在該網(wǎng)絡(luò)中，集中器作為源節(jié)點(diǎn)向周圍的節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求幀，知道該目的節(jié)點(diǎn)發(fā)揮路由請(qǐng)求響應(yīng)幀，建立集中器和目的節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò).如果一直找不到目的節(jié)點(diǎn)，則集中器向監(jiān)控中心返回抄表失敗的命令.采集器在上電后進(jìn)行初始化，初始化后進(jìn)行電量計(jì)算和準(zhǔn)備加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)收到集中器發(fā)送的加入網(wǎng)絡(luò)的信標(biāo)幀的應(yīng)答幀后，就會(huì)獲取網(wǎng)絡(luò)信息并加入網(wǎng)絡(luò).并且該節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇網(wǎng)絡(luò)深度最小的節(jié)點(diǎn)(集中器)發(fā)出連接請(qǐng)求幀，等待連接應(yīng)答.加入網(wǎng)絡(luò)成功后，就等待集中器發(fā)送的抄表指令，并返回該節(jié)點(diǎn)的采集的相關(guān)電量給集中器.

3 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中元器件選型

采集器位于整個(gè)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器部分，通過RS 485接口和電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用無線射頻收發(fā)模塊跟集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，無線數(shù)據(jù)采集器主要由主控模塊、射頻無線收發(fā)模塊、串口模塊、顯示模塊、按鍵模塊和實(shí)時(shí)模塊組成，其組成如圖2所示.

射頻無線收發(fā)模塊采用FT ll00-232，其主要功能，通過排查接口從抄表器或掌上電腦中接收抄表數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后進(jìn)行無線傳輸，集中器和采集器設(shè)備收到該無線數(shù)據(jù)后，將待返回的數(shù)據(jù)組織編碼后進(jìn)行無線傳輸，然后采集器設(shè)備收到該無線數(shù)據(jù)，信息進(jìn)行處理后通過RS 485接口傳輸給電能表中，由相應(yīng)程序進(jìn)行顯示.

集中器位于整個(gè)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g位置，主要連接監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)采集器.通過帶有CC ll00芯片的無線射頻收發(fā)模塊跟數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.集中器主要由主控模塊、無線射頻收發(fā)模塊、GPRS模塊、2個(gè)串口模塊、顯示模塊、按鍵模塊和實(shí)時(shí)模塊組成.無線抄表集中器GPRS模塊將收集到的采集器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)跟監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.為了達(dá)到模塊通用化和提高整個(gè)系統(tǒng)的工作速度的目的，本設(shè)計(jì)選擇的GPRS模塊是GTM 900模塊. GTM 900采用AT命令進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，利用UART接口與外部CPU實(shí)現(xiàn)通信，主要實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)、音頻處理、基帶處理等功能.鍵盤、LCD顯示器等外部設(shè)備由外部CPU進(jìn)行控制.遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的硬件選型如表1所示.

圖2 采集器組成框圖

表1 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)硬件電路設(shè)備選型

4 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，ZigBee通信設(shè)計(jì)是關(guān)鍵內(nèi)容.為了增加ZigBee網(wǎng)絡(luò)的容量，以及解決網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)重要的電源供給的問題，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的集中器和電表之間的通信采用了需求時(shí)喚醒的工作模式.這種工作模式可從很大程度上節(jié)省電表節(jié)點(diǎn)的功耗，從而減少信息上報(bào)的碰撞概率，以延長(zhǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的壽命.在通信初始化過程中，集中器主動(dòng)廣播連接信令.在電表成功地接收并驗(yàn)證一個(gè)數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀后，會(huì)向集中器返回確認(rèn)幀，然后ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能電表節(jié)點(diǎn)置于Sleep工作模式，只進(jìn)行居民用電的電能計(jì)量工作，拒絕無線網(wǎng)絡(luò)中所有的連接請(qǐng)求.接下來集中器與智能電表進(jìn)行主從角色的轉(zhuǎn)換，集中器模塊處于從模式工作狀態(tài)，等待響應(yīng)連接請(qǐng)求信令.此時(shí)電表節(jié)點(diǎn)工作在主模式工作狀態(tài)中，等待有需求時(shí)喚醒發(fā)起連接請(qǐng)求.這種工作模式下電表節(jié)點(diǎn)只是在需要時(shí)喚醒并主動(dòng)與集中器建立連接，從而有效地控制網(wǎng)絡(luò)中其它ZigBee設(shè)備的射頻干擾，以及屏蔽其它電表節(jié)點(diǎn)和集中器的非法連接請(qǐng)求，以保證集中器和電表節(jié)點(diǎn)之間通信安全可靠.集中器與電表之間通信流程如圖3所示.

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有3種設(shè)備類型，分別是協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)，與之相對(duì)應(yīng)的是本設(shè)計(jì)中無線抄表系統(tǒng)的集中器、采集器和電表.ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的每種設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)都從底層開始的話，那么，整個(gè)系統(tǒng)的工作量將會(huì)非常大.所以，為了降低無線抄表系統(tǒng)工作的復(fù)雜度，ZigBee協(xié)議棧采取了類似于某些軟件中的可裁剪模塊設(shè)計(jì)方法的解決方案，即在協(xié)議棧層中將所有設(shè)備的功能都包含進(jìn)去，在應(yīng)用時(shí)，只要在上層應(yīng)用的幾個(gè)配置源文件中定義一些參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)所需要的功能，也正是這些不同的功能從而確定了該設(shè)備的類型.

當(dāng)集中器上電后，首先初始化網(wǎng)絡(luò)的深度、信道及波特率等有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)信息，并且形成以自己為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)，然后定時(shí)的向周圍發(fā)送信標(biāo)幀，隨后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中斷的循環(huán)檢測(cè)和處理過程.如果發(fā)現(xiàn)來自網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)的中斷，則對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)確認(rèn)信息.如是網(wǎng)絡(luò)中某一點(diǎn)發(fā)送的申請(qǐng)加入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，則根據(jù)目前自己是否有分配網(wǎng)絡(luò)地址的能力，向該節(jié)點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)答信息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，就可以跟該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)的通信工作了.采集器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化后，向周圍發(fā)送信標(biāo)幀，請(qǐng)求加入已有的網(wǎng)絡(luò)，等待集中器應(yīng)答加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，加入網(wǎng)絡(luò)成功以后，等待集中器發(fā)出抄表命令，向電能表發(fā)出抄表命令，抄表成功后，等待下一次抄表命令的發(fā)出.

圖3 集中器與電表之間通信流程

5 結(jié)語

針對(duì)目前抄表系統(tǒng)中存在的主要問題，本文對(duì)基于ZigBee技術(shù)的電能計(jì)量無線抄表系統(tǒng)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了電能計(jì)量和無線傳輸?shù)慕Y(jié)合.同時(shí)主要對(duì)智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的硬件電路元器件進(jìn)行了選型，并對(duì)其軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，所提方案為無線抄表系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)提供了理論參考.

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