一種基于ZigBee技術遠程無線抄表系統的實現

黃澤界

摘 要： 為了解決傳統抄表方式低效、易出錯的問題，提出了一種基于ZigBee技術和GPRS技術的低成本、低功耗電力抄表系統，闡述了系統的總體構成，對硬件系統中的終端采集節點、路由節點、協調器節點進行了設計，并給出了程序流程圖。該系統實現了對用戶電能表數據信息高效、快速和可靠的遠程采集，提高了電力抄表效率。

關鍵詞： ZigBee； GPRS； 無線抄表系統； CC2530

中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）11?0019?03

Abstract： A low cost and low power consumption electricity meter reading system based on ZigBee technology and GPRS technology is put forward to solve the problems that traditional meter reading methods are inefficient and error prone. The gene?ral structure of the system is described. The terminal acquisition node， routing node and coordinator node in the hardware system are designed. The program flow chart is given. The remote data information acquisition with high efficiency and high reliability for users′ electric energy meters was implemented by the system， which improves the efficiency of electric power meter reading.

Keywords： ZigBee； GPRS； wireless meter reading system； CC2530

當前，國內采用的抄表方式主要有兩種，一種是傳統的人工抄表，這種方式中，供電中心的工作人員需要到用戶所在地逐戶抄表，然后再將這些數據錄入供電中心的計算機進行處理和存儲，這種抄表方式即費時費力，又易于出錯；另一種抄表方式是自動抄表，自動抄表又分為有線和無線兩種方式，有線自動抄表系統增加了綜合布線的難度和費用，降低了系統應用的靈活性，因此難以得到推廣和應用。無線抄表系統利用無線通信技術，實現集中抄表，相較而言，具有先天的優勢，但系統的能耗、實時性和可靠性等方面還亟需進一步提高。本文設計了一種基于ZigBee技術和GPRS技術的遠程無線抄表系統，作為低功耗、低成本的無線傳感技術，ZigBee網絡可容納65 000個節點[1?3]。在一個區域內可以同時存在多個ZigBee網絡，該系統有效克服了以上幾種抄表方式的缺陷，具有無需布線、功耗低、可靠性高、實時性強等優點。

1 遠程抄表系統總體設計

抄表系統整體結構如圖1所示，包括終端采集節點、路由節點、協調器節點以及中央監控計算機。

終端采集節點包括電能表和ZigBee終端節點，它們通過RS 485總線連接，當接收到抄表命令時，終端采集節點采集電能表數據，并將采集到的數據發送給路由節點，路由節點再把數據發送給協調器節點，由協調器節點通過GPRS網絡把數據發送到中央監控計算機。中央監控計算機接收、處理并存儲電表數據，對系統數據庫進行管理，查看電表狀態和用戶用電記錄等信息[4?5]。

2 硬件系統設計

2.1 終端采集節點設計

由于終端采集節點是用戶設備，因此對價格十分敏感，而且ZigBee收發器要和電能表一起使用，對體積也有較高要求，因此這里選用高度整合的SOC芯片CC2530作為無線收發器和數據處理器[6]。CC2530是用于IEEE 802.15.4/ZigBee應用的一個真正的片上系統解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530片上系統的功能模塊集成了高性能、低功耗的具有代碼預取功能的8051微控制器內核、RF收發器、32 KB/64 KB/128 KB/256 KB FLASH、8 KB SRAM等高性能模塊。還包含A/D轉換器、定時器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、高級加密標準（AES）安全協處理器、USART、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O口。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統[7]。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗，可以滿足節點低成本、低功耗和體積小的要求。為了進一步減小節點體積，設計中使用PCB無線收發天線。終端采集節點結構如圖2所示，CC2530通過MAX485芯片和帶有RS 485總線的電表連接[8]。當終端采集器接收到命令后，采集電能表中的數據，通過ZigBee無線網絡把數據發射到路由節點。

2.2 路由節點設計

路由節點是基于CC2530設計的，主要負責維護一個路由表和一個路由發現表，參與數據包的轉發、路由發現和路由維護，以及關聯其他節點來擴展網絡。通常由于實際應用中路由節點和協調器節點距離較遠，因此選用CC2591射頻放大集成電路對信號進行放大以拓展通信范圍[9]，在發射信號時，增加信號強度，最大發射功率可達22 dBm，在接收信號時，能提高靈敏度6 dB，保證了數據傳輸可靠性和網絡結構的穩定性。路由節點電路連接圖如圖3所示。將CC2591的HGM引腳接到高電平，是為了在接收時能獲得高增益。

2.3 協調器節點設計

協調器節點是整個網絡的主要控制者，負責建立新的網絡、發送網絡信標、管理網絡中的節點以及存儲網絡信息等，它與中央監控計算機之間的通信采用GPRS方式，另外，為了方便系統的維護，協調器節點還需有USB通信接口，以方便手持式通信器的接入。因此選用CC2531F256作為協調器節點的主控芯片，該芯片擁有USB 2.0端口，1 KB FIFO RAM的雙緩沖，256 KB閃存塊。其余功能與CC2530類似。GPRS通信模塊選用SIM300，該芯片是工業級手機模塊，內部集成了TCP/IP協議棧，并且擴展了TCP/IP AT指令，支持1.8 V和3 V兩種類型的SIM卡，使用戶利用該模塊開發數據傳輸設備變得非常簡單方便，SIM300提供了兩個不平衡異步操作串口，可以很方便地和CC2531F256進行連接，CC2530通過AT指令對SIM300進行操作。協調器節點結構如圖4所示。

3 軟件流程設計

3.1 終端采集節點和路由節點流程設計

終端采集節點主要功能是接收到數據采集命令后，采集電能表數據，并將數據發送到路由節點。路由節點的主要功能是轉發數據包，根據它們的功能描述，設計程序流程如圖5所示。

3.2 協調器節點流程設計

協調器節點程序流程圖設計如圖6所示。

協調器節點負責網絡的建立和管理，當ZigBee協調器節點建立一個新網絡時，首先掃描信道，尋找網絡中的一個空閑信道來建立新的網絡。如果找到了合適的信道，ZigBee協調節點會為新網絡選擇一個PAN標識符，PAN標識符是用來標識整個網絡的，因此所選的PAN標識符必須在信道中是惟一的。 一旦選定了PAN標識符，就說明已經建立了網絡，之后如果另一個ZigBee協調節點掃描該信道，這個網絡的協調節點就會響應并聲明它的存在。另外，這個ZigBee協調節點還會為自己選擇一個16 b網絡地址。ZigBee網絡中的所有節點都有一個64 b IEEE擴展地址和一個16 b網絡地址[10]，其中，16 b的網絡地址在整個網絡中是惟一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。在協調器建立網絡后，將處于低功耗等待狀態，當有上行數據時，協調器產生中斷接收數據，通過GPRS把數據發送到中央監控計算機。如果有下行數據或命令時，協調器產生中斷，轉發數據/命令或者執行命令。

4 結 語

本文基于近距離無線通信ZigBee技術和遠距離無線通信GPRS技術設計了一種低成本、低功耗的遠程集中抄表系統，該系統維護、安裝方便，實現了對用戶電能表數據信息高效、快速和可靠的遠程采集，提高了抄表效率。便于供電中心管理和調度，實時掌握用戶用電狀態和信息。

參考文獻

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[10] 鮑衛兵，陳偉杰，朱向軍.基于ZigBee的無線抄表系統的設計與實現[J].工業儀表與自動化裝置，2013（2）：34?37.

2.3 協調器節點設計

協調器節點是整個網絡的主要控制者，負責建立新的網絡、發送網絡信標、管理網絡中的節點以及存儲網絡信息等，它與中央監控計算機之間的通信采用GPRS方式，另外，為了方便系統的維護，協調器節點還需有USB通信接口，以方便手持式通信器的接入。因此選用CC2531F256作為協調器節點的主控芯片，該芯片擁有USB 2.0端口，1 KB FIFO RAM的雙緩沖，256 KB閃存塊。其余功能與CC2530類似。GPRS通信模塊選用SIM300，該芯片是工業級手機模塊，內部集成了TCP/IP協議棧，并且擴展了TCP/IP AT指令，支持1.8 V和3 V兩種類型的SIM卡，使用戶利用該模塊開發數據傳輸設備變得非常簡單方便，SIM300提供了兩個不平衡異步操作串口，可以很方便地和CC2531F256進行連接，CC2530通過AT指令對SIM300進行操作。協調器節點結構如圖4所示。

3 軟件流程設計

3.1 終端采集節點和路由節點流程設計

終端采集節點主要功能是接收到數據采集命令后，采集電能表數據，并將數據發送到路由節點。路由節點的主要功能是轉發數據包，根據它們的功能描述，設計程序流程如圖5所示。

3.2 協調器節點流程設計

協調器節點程序流程圖設計如圖6所示。

協調器節點負責網絡的建立和管理，當ZigBee協調器節點建立一個新網絡時，首先掃描信道，尋找網絡中的一個空閑信道來建立新的網絡。如果找到了合適的信道，ZigBee協調節點會為新網絡選擇一個PAN標識符，PAN標識符是用來標識整個網絡的，因此所選的PAN標識符必須在信道中是惟一的。 一旦選定了PAN標識符，就說明已經建立了網絡，之后如果另一個ZigBee協調節點掃描該信道，這個網絡的協調節點就會響應并聲明它的存在。另外，這個ZigBee協調節點還會為自己選擇一個16 b網絡地址。ZigBee網絡中的所有節點都有一個64 b IEEE擴展地址和一個16 b網絡地址[10]，其中，16 b的網絡地址在整個網絡中是惟一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。在協調器建立網絡后，將處于低功耗等待狀態，當有上行數據時，協調器產生中斷接收數據，通過GPRS把數據發送到中央監控計算機。如果有下行數據或命令時，協調器產生中斷，轉發數據/命令或者執行命令。

4 結 語

本文基于近距離無線通信ZigBee技術和遠距離無線通信GPRS技術設計了一種低成本、低功耗的遠程集中抄表系統，該系統維護、安裝方便，實現了對用戶電能表數據信息高效、快速和可靠的遠程采集，提高了抄表效率。便于供電中心管理和調度，實時掌握用戶用電狀態和信息。

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[10] 鮑衛兵，陳偉杰，朱向軍.基于ZigBee的無線抄表系統的設計與實現[J].工業儀表與自動化裝置，2013（2）：34?37.

2.3 協調器節點設計

協調器節點是整個網絡的主要控制者，負責建立新的網絡、發送網絡信標、管理網絡中的節點以及存儲網絡信息等，它與中央監控計算機之間的通信采用GPRS方式，另外，為了方便系統的維護，協調器節點還需有USB通信接口，以方便手持式通信器的接入。因此選用CC2531F256作為協調器節點的主控芯片，該芯片擁有USB 2.0端口，1 KB FIFO RAM的雙緩沖，256 KB閃存塊。其余功能與CC2530類似。GPRS通信模塊選用SIM300，該芯片是工業級手機模塊，內部集成了TCP/IP協議棧，并且擴展了TCP/IP AT指令，支持1.8 V和3 V兩種類型的SIM卡，使用戶利用該模塊開發數據傳輸設備變得非常簡單方便，SIM300提供了兩個不平衡異步操作串口，可以很方便地和CC2531F256進行連接，CC2530通過AT指令對SIM300進行操作。協調器節點結構如圖4所示。

3 軟件流程設計

3.1 終端采集節點和路由節點流程設計

終端采集節點主要功能是接收到數據采集命令后，采集電能表數據，并將數據發送到路由節點。路由節點的主要功能是轉發數據包，根據它們的功能描述，設計程序流程如圖5所示。

3.2 協調器節點流程設計

協調器節點程序流程圖設計如圖6所示。

協調器節點負責網絡的建立和管理，當ZigBee協調器節點建立一個新網絡時，首先掃描信道，尋找網絡中的一個空閑信道來建立新的網絡。如果找到了合適的信道，ZigBee協調節點會為新網絡選擇一個PAN標識符，PAN標識符是用來標識整個網絡的，因此所選的PAN標識符必須在信道中是惟一的。 一旦選定了PAN標識符，就說明已經建立了網絡，之后如果另一個ZigBee協調節點掃描該信道，這個網絡的協調節點就會響應并聲明它的存在。另外，這個ZigBee協調節點還會為自己選擇一個16 b網絡地址。ZigBee網絡中的所有節點都有一個64 b IEEE擴展地址和一個16 b網絡地址[10]，其中，16 b的網絡地址在整個網絡中是惟一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。在協調器建立網絡后，將處于低功耗等待狀態，當有上行數據時，協調器產生中斷接收數據，通過GPRS把數據發送到中央監控計算機。如果有下行數據或命令時，協調器產生中斷，轉發數據/命令或者執行命令。

4 結 語

本文基于近距離無線通信ZigBee技術和遠距離無線通信GPRS技術設計了一種低成本、低功耗的遠程集中抄表系統，該系統維護、安裝方便，實現了對用戶電能表數據信息高效、快速和可靠的遠程采集，提高了抄表效率。便于供電中心管理和調度，實時掌握用戶用電狀態和信息。

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