基于ZigBee的戶用水表無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)

左瑞娟 武永華 王宇 張濤

摘 要：針對傳統(tǒng)的抄表系統(tǒng)成本高、功耗大、效率低下等問題，設(shè)計一種基于ZigBee和GPRS相結(jié)合的戶用水表無線抄表系統(tǒng)。在戶用水表小區(qū)內(nèi)采用ZigBee無線傳感器通信技術(shù)，在戶用水表小區(qū)外采用GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)。該系統(tǒng)具有低功耗、低成本、抗干擾能力強(qiáng)、自組網(wǎng)和自適應(yīng)等特點，且具有較強(qiáng)的移植性和兼容性。

關(guān)鍵詞：ZigBee;GPRS;自組網(wǎng);無線傳感器;遠(yuǎn)程抄表;水表抄表

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的新技術(shù)應(yīng)用于自動抄表系統(tǒng)，特別是無線低功耗傳輸技術(shù)的發(fā)展。近年來發(fā)展起來的無線抄表系統(tǒng)，工作效率高、數(shù)據(jù)抄收準(zhǔn)確和實時性強(qiáng)、安裝方便以及無需入戶抄表等優(yōu)點逐步成為抄表系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢。主要的無線傳輸方式有紅外、藍(lán)牙[1]、GPRS[2]和ZigBee[3]。由于無線抄表網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點數(shù)目多、數(shù)據(jù)流量小以及實時性強(qiáng)等特點，因此在選擇無線通信技術(shù)時必須要考慮成本、功耗以及網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性等因素。與其他幾種無線通信技術(shù)相比，ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的免頻段使用費(fèi)、低速率、短距離傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，其突出優(yōu)點是近距離、低功耗和低成本，并且具有較高的可靠性、安全性和自組織能力，支持超大網(wǎng)絡(luò)容量。

本文設(shè)計一種基于ZigBee芯片CC2530[4]的無線抄表系統(tǒng)方案，兼具分布式和集中式的特點，可以完成各個水表單元數(shù)據(jù)定時采集和單播、組播和廣播等多種集抄方式。該無線抄表系統(tǒng)由水表集抄中心、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和智能水表構(gòu)成，形成數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、水表監(jiān)控管理層三層分布式結(jié)構(gòu)。

1 戶用水表無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總體方案設(shè)計

圖1為三層分布式無線抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。數(shù)據(jù)采集層的采集器通過RS 485[5]或者紅外實現(xiàn)對戶用水表的數(shù)據(jù)及其他表具信息的采集。為降低功耗，采集器采用呼吸方式進(jìn)行工作。數(shù)據(jù)傳輸層中繼器負(fù)責(zé)對收集到的各個采集器水表信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，最終匯總至集中器。集中器完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，收集到中繼器轉(zhuǎn)發(fā)的信息進(jìn)行匯總并通過GPRS公網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿砑行?。整個抄表系統(tǒng)的下行鏈路和上行鏈路基本類似。

2 采集器軟硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集器在無線抄表系統(tǒng)中上行和中繼器通信，下行和戶用水表通信。采集器可以采集多個智能戶用水表數(shù)據(jù)，它把數(shù)據(jù)上行傳給數(shù)據(jù)中繼器，并從數(shù)據(jù)中繼器接收數(shù)據(jù)和指令下發(fā)給智能戶用水表，硬件設(shè)計框圖如圖2

所示。采集器ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采用TI公司推出的高性能、低功耗芯片CC2530。該芯片符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的

2.4 GHz射頻收發(fā)器，以及增強(qiáng)型的8051MCU，8 KB RAM 和256 KB FLASH。采集器通過紅外和RS 485采集戶用水表的水務(wù)信息，并通過CC2591射頻模塊發(fā)送給中繼器。采集器通過CC2591射頻放大集成電路對信號進(jìn)行放大以拓展通信范圍。

采集器軟件流程設(shè)計如圖3所示。采集器主要是定時進(jìn)行水表數(shù)據(jù)采集，并將水表數(shù)據(jù)通過CC2591發(fā)送到中繼器，同時接收中繼器的命令，并執(zhí)行。

3 中繼器軟硬件設(shè)計

中繼器節(jié)點負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的路由建立和維護(hù)，是數(shù)據(jù)采集器和集中器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置，把數(shù)據(jù)采集器中要上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給集中器，同時把集中器發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)給采集器，在一定區(qū)域范圍安置一個中繼器，就可以保證信號覆蓋整個網(wǎng)絡(luò)。中繼器節(jié)點主要由CC2530芯片和CC2591射頻前端和電池模塊組成，關(guān)鍵部分電路如圖4所示。CC2591射頻前端擴(kuò)充了網(wǎng)絡(luò)的無線應(yīng)用距離。

中繼器軟件流程設(shè)計如圖5所示。其主要進(jìn)行集中器和采集器之間的數(shù)據(jù)和命令轉(zhuǎn)發(fā)。

4 集中器軟硬件設(shè)計

集中器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中一定區(qū)域范圍內(nèi)所有數(shù)據(jù)的匯總器。無線抄表系統(tǒng)的一個小區(qū)只有一個集中器，理論上可以連接1 000個智能水表。集中器收集中繼器轉(zhuǎn)發(fā)過來的水表信息并存儲，最多可以存儲1年的數(shù)據(jù)。定時通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給集抄中心，通過接收集抄中心的命令，并轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)采集器。集中器主要由CC2530，CC2591，PIC24[6]單片機(jī)，GPRS模塊，數(shù)據(jù)存儲器等構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖6所示。

TI的CC2530本身發(fā)射功率小，為了滿足實際應(yīng)用要求，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，本文在CC2530芯片的基礎(chǔ)上增加射頻前端芯片CC2591，用來放大輸出功率。CC2591是TI一款高性能、低功耗的射頻前端芯片，加上CC2591[7]，ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信距離可達(dá)600 m以上。

PIC單片機(jī)采用Microchip[8]公司的PIC24FJ128GA308芯片，該芯片采用16位的改進(jìn)型哈佛架構(gòu)，最高運(yùn)行速度可達(dá)32 MHz。芯片自帶128 KB閃存，8 KB SRAM，RTCC，2個SPI模塊，4個UART模塊，32位CRC發(fā)生器，24通道A/D轉(zhuǎn)換器，深度休眠的超低功耗電流消耗。

GPRS模塊采用上海移遠(yuǎn)通信技術(shù)有限公司的M35四頻 GSM/GPRS模塊。待機(jī)電流低至0.9 mA，內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議棧，支持多個IP地址。單片機(jī)通過AT命令完成對M35模塊的控制，M35模塊基于TCP/IP協(xié)議把水表走量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

數(shù)據(jù)FLASH采用Atmel公司的AT45DB3211D串行接口閃存芯片。存儲空間為4 MB，SPI接口，速度可達(dá)66 MHz。數(shù)據(jù)FLASH接口原理圖如圖7所示。

集中器軟件流程設(shè)計如圖8所示。其主要是負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和管理，建立網(wǎng)絡(luò)后，處于低功耗休眠模式。上傳時間到，則集中器通過中繼器獲得采集器水表信息，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿砑行?，如果下行有命令和?shù)據(jù)時，集中接收此命令和數(shù)據(jù)，并下發(fā)給采集器。

5 結(jié) 語

本文提出并設(shè)計一種基于ZigBee的戶用水表無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用三層分布式結(jié)構(gòu)，具有較好的市場應(yīng)用價值，不僅降低了抄表工作的成本，而且克服了人工抄表的不確定性，隨時可以對水表節(jié)點情況監(jiān)管并即時發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，給用戶和企業(yè)帶來了便利和效益。

注：本文通訊作者為武永華。

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