無線抄表系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王 偉 馬永剛 宋春麟 任維浩

（1.大連東軟信息學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學(xué)，遼寧 大連116023)

0 引言

基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)平臺的自動抄表系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1）無需布設(shè)通信線路，各設(shè)備之間實現(xiàn)無線自動組網(wǎng)連接，降低了系統(tǒng)的安裝成本；2）由于系統(tǒng)沒有控制線路，避免了惡意破壞，整個系統(tǒng)的各個模塊具有集成度高、可靠性高、功耗低、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)；3）ZigBee具有自組織功能，使網(wǎng)絡(luò)無需人工干涉，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系；4）整個網(wǎng)絡(luò)使用的無線頻率是國際通用的免費(fèi)頻段(2.4-2.48 GHz ISM)，傳輸方式采用的是抗干擾能力強(qiáng)的直接序列擴(kuò)頻方式，使網(wǎng)絡(luò)具有卓越的物理性能。本文提出一種基于LabVIEW和ZigBee的無線抄表系統(tǒng)方案，完成硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。本設(shè)計克服了傳統(tǒng)的人工抄表模式的弊端，給水、電、氣管理的自動化帶來了方便。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括兩部分：上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)是小區(qū)物業(yè)管理中心的PC機(jī)，主要完成發(fā)送命令給下位機(jī)及顯示查詢結(jié)果。下位機(jī)主要由數(shù)據(jù)采集器、路由器、協(xié)調(diào)器組成。采集器用于處理和采集用戶多個電能表信息，并通過無線射頻信道與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)，采集器通過RS-485總線與電能表連接，向下與儀表進(jìn)行通信，通過儀表總線將一棟單元樓所有住戶的儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行集抄，這樣就構(gòu)成了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點(diǎn)，向上則是與路由中繼器進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳至協(xié)調(diào)器。采集器節(jié)點(diǎn)通常被安置在居民樓頂可以減小環(huán)境對設(shè)備的干擾，各節(jié)點(diǎn)之間采用基于ZigBee協(xié)議的無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最終將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)數(shù)據(jù)管理平臺，系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 無線抄表系統(tǒng)基本組成

2 下位機(jī)硬件設(shè)計

硬件設(shè)計過程中，ZigBee射頻模塊核心微處理器選用TI公司推出的低功耗片上系統(tǒng)CC2530射頻芯片，與第一代CC2430相比，CC2530功耗更低，最大通信距離為400m，多達(dá)256kB的閃存以支持更大的應(yīng)用，其強(qiáng)大的地址識別和數(shù)據(jù)包處理引擎，能夠很好地匹配RF前端，封裝更小。

2.1 采集器與路由器硬件設(shè)計

采集器的任務(wù)是接收上位機(jī)的指令，根據(jù)指令的要求抄取底層連接的數(shù)字儀表的數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。路由器的主要功能有：擴(kuò)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍；轉(zhuǎn)發(fā)集中器與采集器間的通信命令與數(shù)據(jù)信息。采集器與儀表通過RS-485標(biāo)準(zhǔn)串行接口連接。根據(jù)RS-485通信協(xié)議，儀表通過RS-485接口向采集器返回報文即儀表數(shù)據(jù)，采集器再將這些數(shù)據(jù)打包后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給集中器，集中器再將數(shù)據(jù)包上傳給上位機(jī)。采集器與路由器硬件由核心處理器CC2530無線模塊、RS-485接口電路、無線通信電路、電源電路等幾部分組成。采集器與路由器硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 采集器與路由器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要功能有：負(fù)責(zé)啟動、配置與協(xié)調(diào)整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)；下發(fā)集抄中心的命令與數(shù)據(jù)信息給ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的任一設(shè)備；接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)中任一設(shè)備返回的儀表數(shù)據(jù)、儀表狀態(tài)與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息并上傳到小區(qū)管理中心上位機(jī)。

圖3 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)示意圖

3 下位機(jī)軟件設(shè)計

3.1 采集器軟件設(shè)計

采集器程序流程圖如圖4所示：采集器接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的命令（用戶地址）后，與本模塊負(fù)責(zé)管理的用戶地址對比，若在本模塊負(fù)責(zé)范圍內(nèi)，則采集器會發(fā)送相應(yīng)用戶數(shù)據(jù)信息給協(xié)調(diào)器。

圖4 采集器程序流程圖

3.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計流程圖如圖5所示：首先協(xié)調(diào)器進(jìn)行串口初始化，包括設(shè)置波特率、中斷等，并以廣播方式建立網(wǎng)絡(luò)，之后對串口和無線監(jiān)測，當(dāng)串口或無線事件發(fā)生時進(jìn)行處理，若是串口事件發(fā)生，則協(xié)調(diào)器通過串口接收到上位機(jī)命令并無線發(fā)送出去，若是無線網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生，則協(xié)調(diào)器會進(jìn)行處理：新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)還是接收無線數(shù)據(jù)。

圖5 協(xié)調(diào)器程序流程圖

4 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)所用的串口通信程序采用LabVIEW編寫，LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。本設(shè)計過程中，上位機(jī)程序主要實現(xiàn)對下位機(jī)的控制和對信息的讀取與顯示等功能。其中用到的函數(shù)有：①VISA串口中斷；②VISA串口字節(jié)數(shù)；③VISA讀??；④VISA關(guān)閉；⑤VISA配置串口。核心部分程序流程圖如圖6所示。

圖6 上位機(jī)程序流程圖

下面是采用LabVIEW實現(xiàn)的數(shù)據(jù)顯示部分，本部分通過字符串截取控件篩選出需要顯示的數(shù)據(jù)，通過控件顯示，再通過字符串/數(shù)值轉(zhuǎn)換控件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)值，這樣可以通過儀表、波形圖等控件顯示出來，更加直觀而且便于觀察。數(shù)據(jù)顯示部分框圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)顯示部分設(shè)計

5 模擬測試

為了測試抄表節(jié)點(diǎn)的實際運(yùn)行效果，在實驗室環(huán)境進(jìn)行了模擬測試。模擬網(wǎng)絡(luò)由1個協(xié)調(diào)器、1個路由器、2個抄表終端節(jié)點(diǎn)、3個數(shù)字量傳感器模擬水、電、氣信息量，并連接至有RS-485總線的系統(tǒng)板上，1臺PC機(jī)通過RS-232通信接口與協(xié)調(diào)器相連。通過設(shè)置LabVIEW設(shè)計的上位機(jī)軟件來查詢1號樓，1單元，101室的用量信息，查詢結(jié)果如圖8所示。

圖8 上位機(jī)查詢界面

在選擇不同的單元、門牌號時，程序會通過串口發(fā)送不同的指令以獲取不同的用戶數(shù)據(jù)。此外上位機(jī)還可以導(dǎo)入用戶頭像，在選擇時可以顯示圖片，更加直觀，另外還添加了語音播報功能，可以播報查詢信息和顯示系統(tǒng)時間。

6 結(jié)語

上面的調(diào)試結(jié)果成功完成了整個系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，模擬實現(xiàn)了自動抄表過程，但還存在很多不足之處，例如傳輸距離只有幾十米，通信距離比較短。在實際應(yīng)用中，若要擴(kuò)展通信范圍，一方面在采集器端增加功率放大器，另一方面也可以在抄表兩端之間再加中繼器，這樣才可以實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的抄表，另外目前水、煤氣儀表仍然是機(jī)械表，沒有RS-485接口，只有電表具有RS-485接口，何時能將機(jī)械表更換成電子表還有待于國家相關(guān)部門的改進(jìn)。

［1］朱永利,陳濤,郭少杰.ZigBee技術(shù)在無線抄表中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信,2008,29(190):37-38.

［2］汪銀芳,馬世偉.一種基于ZigBee的無線抄表系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].測控技術(shù),2013,32(1):14-18.

［3］鮑衛(wèi)兵,陳偉杰.基于ZigBee的無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝,2013(2):34-45.

［4］沈曙明.無線遠(yuǎn)傳集抄系統(tǒng)[D].南京理工大學(xué),2014,3.