基于Zigbee和3G無線網(wǎng)絡(luò)的智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國機(jī)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 鄭源濱

近年來，隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和融合，基于“3G物聯(lián)網(wǎng)云端平臺(tái)”的產(chǎn)品方案在不斷被提出和實(shí)現(xiàn)。其中，使用傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、嵌入式開發(fā)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、軌道交通、智能家居、環(huán)境監(jiān)控等各個(gè)領(lǐng)域中。

3G技術(shù)（第三代移動(dòng)通信）是融合了多媒體告訴通信的新一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)，其升級(jí)的軟硬件設(shè)備支持高速的數(shù)據(jù)傳輸，目前存在四種標(biāo)準(zhǔn)：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。

Zigbee是一種短距離、低速率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)，使用免費(fèi)的2.4GHz通信頻段，具有自診斷、自組織網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)路由、網(wǎng)絡(luò)自愈等功能和優(yōu)點(diǎn)[1]。

GAE（Google App Engine）是一個(gè)Google管理中心用于Web應(yīng)用程序開發(fā)和托管的云平臺(tái)，支持Google云計(jì)算和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)引擎操作，并具有專有數(shù)據(jù)庫，提供穩(wěn)定免費(fèi)的網(wǎng)站空間[2]。

為了使得物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)能夠結(jié)合，發(fā)揮信息網(wǎng)絡(luò)IT技術(shù)更大的作用，本文基于“Zigbee傳感網(wǎng)”和“3G互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)，以智能儀表無線抄表為背景，設(shè)計(jì)了一種新型智能電表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并且在上位機(jī)服務(wù)器中，使用GAE服務(wù)引擎開發(fā)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)服務(wù)型網(wǎng)站的基礎(chǔ)功能。

1.系統(tǒng)概述

智能電表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

智能電表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由三層結(jié)構(gòu)組成，第一層使用Zigbee智能電表作為數(shù)據(jù)終端；第二層使用3G無線集中器網(wǎng)關(guān)作為連接設(shè)備，集中器利用3G上網(wǎng)方式進(jìn)入Internet，訪問服務(wù)器網(wǎng)站。第三層使用服務(wù)器網(wǎng)站作為管理中心平臺(tái)，對(duì)集中器進(jìn)行遠(yuǎn)程的響應(yīng)和操作，方便電力公司和其他專業(yè)公司的應(yīng)用。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了電表無線自動(dòng)抄表和信息管理等功能，核心組件由以下三部分構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 電表數(shù)據(jù)采集電路

圖3 無線zigbee接口電路

圖4 集中器總體設(shè)計(jì)框圖

圖5 SIM5218模塊接口電路

1.1 Zigbee智能電表

基于Zigbee技術(shù)設(shè)計(jì)的智能電表，兼容了無線抄表的功能。它利用CC2430單片機(jī)，接收電能計(jì)量模塊ADE7755的脈沖量信號(hào)，利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信方式，可將測(cè)量數(shù)據(jù)定時(shí)上傳，中斷響應(yīng)上位機(jī)實(shí)時(shí)抄表、命令下載執(zhí)行等功能[3]。

1.2 無線3G集中器網(wǎng)關(guān)

集中器網(wǎng)關(guān)的功能在于建立電表與管理系統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。網(wǎng)關(guān)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)從智能電表中采集數(shù)據(jù)，將采集信息通過3G網(wǎng)絡(luò)上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，同時(shí)應(yīng)答服務(wù)器的相關(guān)命令。集中器帶有SIM卡接口和人機(jī)界面，支持網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供的其他3G相關(guān)業(yè)務(wù)。

1.3 管理系統(tǒng)網(wǎng)站

圖6 總體程序流程圖

圖7 集中器通信程序流程圖

管理系統(tǒng)網(wǎng)站是上位機(jī)服務(wù)器管理中心，提供擴(kuò)展的信息管理業(yè)務(wù)。它利用Google的軟硬件平臺(tái)，提供良好的運(yùn)行環(huán)境。網(wǎng)站基于Spring MVC框架，使用異步JavaScript和XML技術(shù)開發(fā)網(wǎng)頁，優(yōu)化用戶界面，提高服務(wù)器性能。另外，GAE提供豐富的資源如E-Mail接口，方便用戶開發(fā)擴(kuò)展功能。

2.硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心是Zigbee智能電表和無線3G集中器網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)。

2.1 Zigbee智能電表硬件設(shè)計(jì)

相比于傳統(tǒng)的支持DL/T645-2007規(guī)約RS-485總線型電表，Zigbee智能電表功耗低、布置方便、

克服遠(yuǎn)程布線帶來的缺陷，還兼容抄表器的功能。

Zigbee智能電表以CC2430作為核心控制芯片。CC2430作為支持SoC片上系統(tǒng)解決方案的控制芯片，支持Zigbee基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用。內(nèi)置的8051內(nèi)核可以方便ADE7755單相表計(jì)量芯片與51單片機(jī)之間的硬件設(shè)計(jì)的移植，并支持軟件的一致性設(shè)計(jì)。其中，ADE7755電能計(jì)量數(shù)據(jù)采集電路原理如圖2所示。

在實(shí)現(xiàn)Zigbee基本節(jié)點(diǎn)的功能之后，為了使節(jié)點(diǎn)能夠在多變的環(huán)境下穩(wěn)定通信，需要加大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信距離和收發(fā)功率。其中，CC2591是一款2.4GHz頻段無線應(yīng)用的高效RF前端，它能夠通過功率放大器提升至高達(dá)22dBm的輸出功率從而增長(zhǎng)通信距離以及通信穩(wěn)定性[4]。由于CC2430與CC2591具有良好的兼容性，兩者的連接并不需要復(fù)雜的外圍電路，電路原理如圖3所示。

原理圖中，RF_N，RF_P引腳分別與CC2430的對(duì)應(yīng)引腳相連，RXTX引腳與TXRX_SWICTH相連，即實(shí)現(xiàn)了傳輸信號(hào)的連接。為了提高高頻電路電源的穩(wěn)定性，在AVDD_PA1，AVDD_PA2，AVDD_LNA放大器的供電電源端口，均并聯(lián)2個(gè)解耦電容，用來高頻解耦與低頻解耦。BIAS引腳連接4.7k精確偏置電阻，提供參考電流。ANT引腳則外接單端天線。集中器網(wǎng)關(guān)的硬件中也采用了該電路作為Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的接口。

圖8 網(wǎng)站與集中器網(wǎng)關(guān)通信基本流程

2.2 無線3G集中器網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

無線3G集中器網(wǎng)關(guān)具有Zigbee和3G網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的互聯(lián)功能。按照模塊化設(shè)計(jì)的方法，總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

集中器網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)主要分以下部分：

(1)選擇ARM9微控制器芯片S3C2440，設(shè)計(jì)Nor FLASH、Nand FLASH、SDRAM、EERPROM和SD卡存儲(chǔ)器電路。(2)設(shè)計(jì)無線Zigbee接口電路，使用CC2430+CC2591芯片，與S3C2440串口連接。集中器的CC2430作為Zigbee網(wǎng)絡(luò)的主站，控制Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。(3)設(shè)計(jì)無線3G接口電路，S3C2440以USB的方式連接SIM5218專用模塊，可滿足無線數(shù)據(jù)速率的要求。(4)其他外圍電路：如外部看門狗、LED指示燈、撥碼開關(guān)、串行總線、以太網(wǎng)、JTAG調(diào)試接口等。

集中器網(wǎng)關(guān)選用SIMCom SIM5218模塊，它是一款四頻GSM/GPRS/EDGE WCDMA和GPS的組合模塊，接口豐富。

控制器SC32440通過USB接口與SIM5218進(jìn)行通信。SIM5218模塊接口電路原理如圖5所示。原理圖將SIM5218芯片的基本功能引腳引出，包括高速USB接口引腳：USB_D+、USB_D-；串行數(shù)據(jù)接口引腳：UART_TXD、UART_RXD；SIM卡接口引腳：CARD_CLK、CARD_V、CARD_RST、CARD_DATA；以及音頻引腳MIC_N、MIC_P、MIC_IN。原理圖使用了SIM5218普通I/O引腳，GPIO1：輸出信號(hào)，控制三極管Q1，導(dǎo)通/關(guān)閉LED，越來指示3G通信網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。GPIO3：輸入信號(hào)，作為控制器的請(qǐng)求信號(hào)量REQ_IT，當(dāng)輸入有效時(shí)，說明控制器已準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸。GPIO5：輸出信號(hào)，作為SIM5218的請(qǐng)求信號(hào)量S_RTS，當(dāng)輸出有效時(shí)，說明SIM5218已準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸。

3.嵌入式軟件設(shè)計(jì)

嵌入式軟件設(shè)計(jì)主要包括Zigbee智能電表固件和無線3G集中器網(wǎng)關(guān)固件設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)闡述集中器網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

集中器網(wǎng)關(guān)應(yīng)用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)。Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序主要為USB驅(qū)動(dòng)、USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)和PPP撥號(hào)驅(qū)動(dòng)程序。由于Linux內(nèi)核提供了USB core子系統(tǒng)來處理USB設(shè)備大部分的復(fù)雜工作，主要工作在于驅(qū)動(dòng)程序和USB core的接口設(shè)計(jì)，以設(shè)備的接口提供的功能為基礎(chǔ)進(jìn)行USB驅(qū)動(dòng)程序的編寫。在完成函數(shù)調(diào)用后，將相應(yīng)的USB驅(qū)動(dòng)提交給設(shè)備模型，添加到USB總線的驅(qū)動(dòng)鏈表里即可。

3.2 集中器管理任務(wù)設(shè)計(jì)

在完成內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)之后，集中器Linux系統(tǒng)啟動(dòng)3G撥號(hào)上網(wǎng)程序，將自身IP注冊(cè)到運(yùn)營(yíng)商服務(wù)器其中，之后定時(shí)啟動(dòng)socket套接字 通信任務(wù)，按照已經(jīng)注冊(cè)的IP和端口號(hào)，建立基于TCP的可靠性連接，完成與服務(wù)器的握手。由于SIM5218自動(dòng)支持7.2Mbps的下行速度及5.76Mbps的上行速度服務(wù)，因此傳輸速率不是限制系統(tǒng)通信效率的因素。

集中器在與管理系統(tǒng)完成握手連接之后，啟動(dòng)應(yīng)用程序，之后執(zhí)行中斷處理程序，主要包括：Zigbee串口中斷處理服務(wù)程序、3G中斷處理服務(wù)程序和設(shè)備中斷處理服務(wù)程序分別完成，分別完成Zigbee電表節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、3G數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、人機(jī)界面操作與顯示的功能。應(yīng)用程序的總體設(shè)計(jì)框圖，如圖6所示。Linux環(huán)境下中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)面向?qū)ο?，只要確定中斷觸發(fā)條件，并將中斷服務(wù)程序注冊(cè)到系統(tǒng)中即可。

3G數(shù)據(jù)通信由集中器網(wǎng)關(guān)發(fā)起，以定時(shí)器中斷的方式進(jìn)行。每隔一段時(shí)間（可設(shè)置），集中器開啟Zigbee網(wǎng)絡(luò)，輪詢節(jié)點(diǎn)電表的電量信息，并與原有的記錄進(jìn)行對(duì)比，若發(fā)生變化，首先分析其變化范圍是否合理，若在計(jì)算算法的合理范圍內(nèi)，則將歷史記錄修改，并啟動(dòng)3G通信數(shù)據(jù)傳輸過程。

集中器網(wǎng)關(guān)完整的數(shù)據(jù)通信流程如下圖7所示。此為基于客戶端的通信程序流程圖，其中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器地址是固定的，由管理系統(tǒng)統(tǒng)一分配。

4.管理系統(tǒng)網(wǎng)站設(shè)計(jì)

管理系統(tǒng)網(wǎng)站可以設(shè)置在電力公司大樓或小區(qū)物業(yè)管理中心，除了完成無線抄表功能外，還可以作為一個(gè)宣傳、加強(qiáng)公司客戶溝通的平臺(tái)。用戶可以通過各種終端設(shè)備登陸網(wǎng)站獲取想要的信息。

基于服務(wù)器端的網(wǎng)站基本數(shù)據(jù)通信流程如下圖8所示。通信數(shù)據(jù)格式采用HTTP報(bào)文協(xié)議。當(dāng)集中器定時(shí)發(fā)起3G數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收集中器發(fā)來的數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)來源驗(yàn)證，其次拆包數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，若通過則將數(shù)據(jù)記錄在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)實(shí)體，并保存至數(shù)據(jù)庫中，最后返回一個(gè)狀態(tài)代碼，該狀態(tài)代碼流程基于W3C標(biāo)準(zhǔn)HTTP協(xié)議狀態(tài)代碼實(shí)現(xiàn)。

服務(wù)器系統(tǒng)處理動(dòng)作如下：(1)當(dāng)網(wǎng)址不存在、服務(wù)器存在錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)結(jié)束通信并返回錯(cuò)誤狀態(tài)代碼；(2)當(dāng)服務(wù)器對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)校驗(yàn)出錯(cuò)、服務(wù)器保存出錯(cuò)、報(bào)文請(qǐng)求超時(shí)，系統(tǒng)要求集中器重傳；(3)當(dāng)集中器成功上傳數(shù)據(jù)并通過驗(yàn)證和校驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)結(jié)束并返回準(zhǔn)確狀態(tài)代碼，數(shù)據(jù)更新至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中；(4)當(dāng)服務(wù)器收到報(bào)文請(qǐng)求，但身份驗(yàn)證信息不正確，系統(tǒng)報(bào)告服務(wù)器出錯(cuò)設(shè)備ID。

集中器設(shè)備采用HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容采用json方式，并存儲(chǔ)到HTTP報(bào)文中。數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用CRC(Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗(yàn)碼)方式，確保數(shù)據(jù)正確傳輸。集中器設(shè)備使用REST方式訪問接口，通過一般Response答復(fù)機(jī)制，查看代碼中異常處理返回值的狀態(tài)。

5.總結(jié)

本文重點(diǎn)研究了基于Zigbee和3G技術(shù)的無線智能電表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，研發(fā)了Zigbee無線智能電表、具有3G網(wǎng)絡(luò)接口和Zigbee網(wǎng)絡(luò)接口的集中器設(shè)備及其管理系統(tǒng)網(wǎng)站。該系統(tǒng)結(jié)合自定義的智能電表串口接入?yún)f(xié)議，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)集中器數(shù)據(jù)采集、撥號(hào)上網(wǎng)和與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的3G數(shù)據(jù)通信功能。

管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Spring技術(shù)作為主框架，GAE作為系統(tǒng)引擎；采用Cron技術(shù)實(shí)現(xiàn)郵件傳遞，GWT及Spring MVC技術(shù)完成界面顯示，并使用JCache提高頁面訪問速度。通過整合GWT和XMPP通信模塊，擴(kuò)展了管理系統(tǒng)的功能，可實(shí)現(xiàn)論壇、微博以及在線用戶聊天等功能。

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