基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的無線熱量表管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 張 健 姚福安 榮海林

1.引言

目前，在我國(guó)電表、熱量表、水表、煤氣表等運(yùn)行和計(jì)量操作，絕大多數(shù)采用人工抄表方式，人工操作不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，時(shí)間跨度大，而且可能會(huì)存在漏抄、錯(cuò)抄等問題[1]。近年來，無線通信技術(shù)在抄表系統(tǒng)方向發(fā)展迅速。無線抄表系統(tǒng)，不僅操作簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確迅速，效率高，而且可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取，便于及時(shí)檢測(cè)管理，實(shí)現(xiàn)了管理系統(tǒng)的智能化。

2.無線熱量表管理系統(tǒng)方案

2.1 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的選擇

Zigbee無線技術(shù)與移動(dòng)網(wǎng)(GPRS，CDMA)相比，Zigbee網(wǎng)絡(luò)無網(wǎng)路使用費(fèi)，設(shè)備成本低、功耗低；與現(xiàn)有的數(shù)傳電臺(tái)相比，Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，抗干擾性能好，保密性高。另外，Zigbee網(wǎng)絡(luò)容量大，并在自配置、自修復(fù)、自管理等方面有著非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此無線熱量表管理系統(tǒng)選擇Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2.2 熱量表控制方式選擇

管理中心采用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)與熱量表通信，但熱量表與Zigbee網(wǎng)絡(luò)之間的通信有兩種方案。方案1：熱量表與Zigbee無線模塊連接，熱量表直接與Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信。方案2：熱量表通過總線(RS485或者M(jìn)-BUS)連接數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器與Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信。方案比較：方案一的Zigbee無線模塊個(gè)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過方案二，成本高；而且方案一熱量表必須安裝在用戶室內(nèi)，但Zigbee終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸容易受環(huán)境因素影響并且穿墻能力有限，即使設(shè)置Zigbee路由器節(jié)點(diǎn)做信號(hào)覆蓋，也會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失或者無法連接網(wǎng)絡(luò)，方案二安裝方便靈活，可以根據(jù)外界環(huán)境選擇最優(yōu)的傳輸線路，傳輸數(shù)據(jù)可靠。實(shí)際應(yīng)用中方案一實(shí)施困難，因此選擇方案二。

在集中抄表領(lǐng)域應(yīng)用中，M-BUS和RS485兩種總線都有廣泛的應(yīng)用，但M-BUS總線因其成本低廉，傳輸信號(hào)準(zhǔn)確，負(fù)載力強(qiáng)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)勢(shì)，所以更具有優(yōu)勢(shì)和發(fā)展的空間。所以熱量表與數(shù)據(jù)采集器之間通信選用M-BUS總線。

2.3 系統(tǒng)方案簡(jiǎn)介

基于zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的熱量表管理系統(tǒng)，熱量表通過M-BUS總線連接到M-BUS數(shù)據(jù)采集器，然后通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)無線傳輸?shù)焦芾碇行摹榱藢?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)置一個(gè)GPRS模塊與Zigbee協(xié)調(diào)器通信。

3.無線熱量表管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本無線抄表管理系統(tǒng)主要功能是對(duì)用戶熱量表數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)，可對(duì)用戶熱量表進(jìn)行遠(yuǎn)程通斷操作，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度可控。系統(tǒng)主要包含3部分：用戶熱量表、Zigbee網(wǎng)絡(luò)、管理中心。統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 用戶熱量表

用戶熱量表，取暖管道上按裝可控閥門，由熱量表主控芯片控制驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電磁閥，當(dāng)出現(xiàn)欠繳費(fèi)或者其他特殊情況時(shí)，可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)開關(guān)閥門。另外在用戶熱量表有溫度采集裝置，當(dāng)回水溫度達(dá)到預(yù)設(shè)定溫度時(shí)控制閥門，通過調(diào)節(jié)控制閥的角度讓回水溫度基本保持恒定，保證整個(gè)小區(qū)的采暖均勻。用戶熱量表通過M-BUS總線連接到M-BUS抄表器。

3.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)分為：Zigbee數(shù)據(jù)采集器、Zigbee數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器和Zigbee數(shù)據(jù)集中器三部分。Zigbee無線模塊主芯片采用TI公司推出的高性能、低功耗芯片CC2530F256，組建小區(qū)無線局域網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)安全可靠的傳輸和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.1 Zigbee數(shù)據(jù)采集器

Zigbee數(shù)據(jù)采集器，集成了M-BUS抄表器和Zigbee終端節(jié)點(diǎn)，主要任務(wù)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)無線通信、電壓檢測(cè)和休眠4個(gè)事件，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 Zigbee數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集和休眠：Zigbee終端節(jié)點(diǎn)通過串口與M-BUS抄表器通信，獲取用戶熱量表的信息，無線上傳到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器。Zigbee數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，平時(shí)處于定時(shí)休眠模式，這種工作模式極大的延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

電源模塊和電壓檢測(cè)模塊：由于充電電池輸出電壓3.7V，而Zigbee模塊主芯片CC2530的供電電壓為2V～3.6V，選擇CAT6219—330設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路給系統(tǒng)供電。Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均采用電池供電，電量會(huì)逐漸降低，必須對(duì)供電電池進(jìn)行電壓檢測(cè)。系統(tǒng)采用HT7027電壓監(jiān)測(cè)芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電量欠壓的檢測(cè)，電路圖如圖3所示[2]。

圖3 電源電路和電壓檢測(cè)電路

時(shí)鐘模塊電路：采用時(shí)鐘芯片DSl302，用來記錄數(shù)據(jù)采集的日期和時(shí)間，便于工作人員查詢和分析數(shù)據(jù)。DS1302功耗低、外圍電路簡(jiǎn)單，非常符合Zigbee數(shù)據(jù)采集器的要求。

3.2.2 Zigbee數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器

Zigbee數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)為了保證Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠傳輸距離，增大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，增加了RF功率放大電路，并有外擴(kuò)存儲(chǔ)器，用來暫存數(shù)據(jù)[3]。功率放大芯片選擇Ti公司官方推薦的的CC2591。如果小區(qū)范圍比較小，可以省略Zigbee數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，增強(qiáng)系統(tǒng)的可控性。

3.2.3 Zigbee數(shù)據(jù)集中器

Zigbee數(shù)據(jù)集中器主要包括Zigbee協(xié)調(diào)器、GPRS模塊和主控MCU三部分，結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。Zigbee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)小區(qū)無線局域網(wǎng)的組建和最優(yōu)化路由選擇，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)采集器添加或者刪除時(shí)，Zigbee協(xié)調(diào)器會(huì)自動(dòng)調(diào)整，建立新的優(yōu)化路由，使上位機(jī)面對(duì)一個(gè)完全透明的網(wǎng)絡(luò)。Zigbee協(xié)調(diào)器將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，直接傳送到小區(qū)管理中心或者通過GPRS模塊傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

圖4 Zigbee數(shù)據(jù)集中器

主控MC U，采用TI公司的超低功耗芯片MSP430F149，通過SPI與CC2530無線模塊進(jìn)行通信，通過串口與GPRS模塊通信。GPRS模塊，選擇SIMCOM公司生產(chǎn)低功耗、性能穩(wěn)定的SIM900，必須使用SIM卡，并開通GPRS業(yè)務(wù)，所以需要承擔(dān)一定的費(fèi)用。電路圖如圖5所示。

圖5 GPRS模塊電路圖

圖6 系統(tǒng)基本應(yīng)用過程

3.3 管理中心

管理中心，管理員利用連接網(wǎng)絡(luò)的電腦，通過上位機(jī)控制熱量表系統(tǒng)，可以對(duì)任意的用戶熱量表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程通斷操作。系統(tǒng)一般采用定時(shí)抄表，可以根據(jù)實(shí)際情況改變抄表的時(shí)間，系統(tǒng)把采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫并備份，可以為用戶提供詳細(xì)的打印報(bào)表。系統(tǒng)提供安全的財(cái)務(wù)軟件接口，并實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具有收費(fèi)對(duì)賬和收費(fèi)轉(zhuǎn)結(jié)功能。如果用戶出現(xiàn)趨于欠費(fèi)或者已欠費(fèi)情況，上位機(jī)會(huì)明確顯示，如果是用戶惡意拖欠，管理者可以將用戶的取暖管道遠(yuǎn)程關(guān)斷，直到用戶補(bǔ)齊所有費(fèi)用，再遠(yuǎn)程打開管道。如果管理者需要更換IP地址，可以給GPRS模塊的SIM卡發(fā)送更換IP地址短信，格式如“管理密碼+新IP地址”給GPRS模塊，完成IP地址的更換。

4.系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)基本工作過程，主要分為Zigbee網(wǎng)絡(luò)初始化、熱量表數(shù)據(jù)采集、GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和上位機(jī)遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)的基本應(yīng)用過程如圖6所示。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)初始化，Zigbee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和管理，允許節(jié)點(diǎn)的加入和撤銷。節(jié)點(diǎn)上電并初始化，按預(yù)設(shè)定頻道搜索網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)搜索到網(wǎng)絡(luò)后申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，并將自己的節(jié)點(diǎn)ID發(fā)送給Zigbee協(xié)調(diào)器。Zigbee協(xié)調(diào)器接收節(jié)點(diǎn)ID后添加節(jié)點(diǎn)，并更新網(wǎng)絡(luò)。用戶熱量表信息采集有兩種方式：定時(shí)循環(huán)采集、工作人員發(fā)送命令采集。一般采用定時(shí)循環(huán)采集，Zigbee數(shù)據(jù)采集器一般處于休眠。當(dāng)Zigbee數(shù)據(jù)集中器接到上位機(jī)的指令時(shí)，無法直接下達(dá)給Zigbee數(shù)據(jù)采集器，先把指令進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)Zigbee數(shù)據(jù)采集器醒來之后，首先必須向Zigbee數(shù)據(jù)集中器發(fā)送詢問消息，來獲取控制指令。

GPRS通信，設(shè)定SIM900參數(shù)、建立TCP/IP連接和傳送數(shù)據(jù)都是通過AT指令來實(shí)現(xiàn)的。AT指令以AT開頭，以回車作為結(jié)尾；每條指令是否成功執(zhí)行都有相應(yīng)的響應(yīng)返回。主控芯片MSP430F149通過串口與SIM900通信，SIM90 0的TCP/IP功能系統(tǒng)采用透?jìng)髂Ｊ健Ｍ競(jìng)髂Ｊ较拢琒IM900串口接收到的數(shù)據(jù)均被看作是數(shù)據(jù)包，而不是AT指令。命令模式與數(shù)據(jù)模式可以相互切換[4]。

5.結(jié)束語

Zigb ee組建的短距離無線局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)合GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)，使無線抄表管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠、準(zhǔn)確迅速、安裝方便、管理簡(jiǎn)單。Zigbee網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性強(qiáng)，系統(tǒng)自行處理表具的添加和刪除。GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸彌補(bǔ)了Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸距離受限的缺陷。該系統(tǒng)同樣可以應(yīng)用到各類表的遠(yuǎn)程管理，極大的降低了人力物力成本，從而實(shí)現(xiàn)表具管理的智能化。

[1]商瑩,郭靜.基于ZigBee的無線抄表系統(tǒng)[J].華章,2011,16.

[2]吳祥,康戈文.ZigBee的遠(yuǎn)程低功耗灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2013,13.

[3]馮軍,寧志剛,陽璞瓊.基于ZigBee的無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2010,8.

[4]王昆,陳晰志.基于GPRS的地下水動(dòng)態(tài)水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011,19.