簇狀型Zigbee網絡拓撲結構在無線燃氣抄表系統中的應用

林滔

摘要：文章針對老式小區的燃氣無線抄表技術進行了研究，并分析了Zigbee與Wi-Fi、Bluetooth在該系統傳輸數據的合理性以及Zigbee技術的優缺點分析。無線燃氣抄表技術與傳統燃氣抄表技術相比具有無需入戶、無時間限制、管理成本低、快速、準確等優點，基于此設計了一種無線燃氣抄表系統，該系統設計了用戶終端模塊與無線收發模塊兩部分電路。

關鍵詞：Zigbee；無線網絡；無線燃氣抄表系統；用戶終端模塊；無線收發模塊 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP212 文章編號：1009-2374（2016）02-0055-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.027

目前，樓宇的智能化在新式小區發展迅速，智能抄表和無線抄表技術也發展得比較成熟，但在老式小區發展很緩慢，老式小區的數量也非常龐大，目前在老式小區里，電表和水表都能方便地改到室外統一安裝、統一抄表，燃氣統一安裝的困難較多，所以本文著重挑選燃氣表無線抄表進行研究。隨著樓宇的智能化發展，無線抄表系統越來越受到人們的青睞并逐漸取代了傳統的抄表系統。傳統的抄表系統大致可以分為三類：智能卡燃氣表、有線自動抄表系統、無線智能燃氣表，目前無線智能燃氣自動抄表系統越來越受到業界的重視。

1 Zigbee技術分析

1.1 Zigbee技術概述

Zigbee一詞源自于蜜蜂Bee，蜜蜂在空中飛行的字形的空中舞步，是把花蜜的位置信息傳遞給伙伴們。Zigbee技術也具備將信息通過Zigbee技術發送給其他Zigbee裝置（也可以是接收）的能力。Zigbee包括兩種不同的通訊規格：一種是由Zigbee Alliance所主導的標準；另一種是由IEEE所制定的IEEE802.15.4標準。Zigbee可以在國際免授權的2.4GHz、歐洲868MHz和美國915MHz三個免費頻段上工作，它在2.4GHz頻段上工作時，具有250kbps的最高數據傳輸率。Zigbee完全協議可用于32K字節的協調器，而且每個協調器同時可連接達255個節點之多，幾個協調器可以自動形成一個網絡。Zigbee是一種成熟的近程（10～100米）、低速率（250kbps標稱速率）、低功耗的無線網絡技術，主要應用于近距離數據無線收發，具備有強大自組網能力、低功耗、低速率、低成本、高可靠、超視距等多種特點，適用于遠程控制和自動控制等領域。

本文選用DRF系列Zigbee模塊，它是基于TI公司CC2530F256芯片的Zigbee模塊，具體特點如下：（1）DRF系列Zigbee模塊相當于無線的串口連接端口，在使用這個模塊時，如串口電纜一樣簡單好用。Zigbee網絡包含三種網絡形態，即中心協調器、路由器、終端節點，英文標識分別是Coordinator、Router、End Device；（2）串口數據可透明傳輸，不必考慮Zigbee協議，每個模塊都是上電即自動組網，Coordinator會自動給所有的節點分配地址，無需用戶人工分配；（3）Coordinator能將從串口接收到的數據自動發送給所有其他節點，某一節點也能將從串口接收到的數據自動發送給Coordinator，通過串口便可在任意節點之間進行數據傳輸；（4）DRF系列Zigbee模塊采用CC2530F256芯片，自帶IEEE地址，不用再購買IEEE地址；（5）用戶可通過串口指令自由變換模塊的節點類型（Coordinator、Router、End Device）和使用的無線電頻道；（6）用戶可自定義Router地址，在Coordinator與Router之間傳輸數據，可根據自定義地址尋址，用戶可自定義地址功能，方便地實現RS232設備聯網功能。

1.2 Zigbee網絡拓撲結構

Zigbee具備強大的自組網能力，有星型、簇狀型、MESH網狀型三種，如圖1所示網絡拓撲結構。

Coordinator（網絡協調器）就是網絡中的中心節點，功能是組建網絡和信息路由。如果要創建一個Zigbee網絡，當有Router或EndDevice節點加入時，并分配地址給子節點，Coordinator一般被定義為不能掉電的設備，而且沒有低功耗狀態。一個Zigbee網絡有且僅有一個Coordinator，不同網絡的PAN ID即網絡ID號也不一樣，如果同時存在兩個Coordinator，它們的初始PAN ID一樣，那后上電的Coordinator的PAN ID會自動加1，區分兩個Coordinator，以此避免PAN ID沖突。

Router（路由器）則負責尋找最適合的路由路徑來轉發數據包，當有節點加入網絡，可自動為節點分配地址。Router一般也被定義為電源供電的設備，也不能進入低功耗狀態，一個Zigbee網絡一般需要多個Router，一個Router既能轉發數據也可收發數據。

End Device（終端節點）加入Zigbee網絡后能收發數據，但不能轉發數據，End Device一般被定義為電池供電設備，能周期性地被喚醒去執行設定的任務，具有低功耗狀態。

1.3 三種無線通信技術的比較

燃氣抄表頻率較低，一般一個月一次，數據流量也很小，所以選擇無線通信技術時需考慮到以下四個方面：（1）低成本：無線通信模塊以及外圍電路的成本要低；（2）低功耗：燃氣抄表系統應避免外接電源，需要使用電池，低功耗模塊才能使電池成本降低；（3）性能可靠：在無人維護的情況下能夠正常運轉；（4）擴展性強：無線通信模塊間擴展性能強，擴展數量可達上千個。

2 設計方案

本系統是針對住戶燃氣表的自動抄表功能而設計，該系統實現后，抄表人員無需進入到各住戶家中，便可將每個住戶家中燃氣用量數據通過收發模塊讀取。圖2為各個住戶家中的用戶終端模塊Zigbee與無線收發模塊Zigbee的通信框圖：

總體設計為：（1）以某小區的樓道為單元，在各單元底層或者中間樓層安裝Zigbee無線收發模塊用于抄表人員抄燃氣表用量；（2）在各住戶家中安裝Zigbee遠程用戶終端模塊，將讀取的燃氣表用量通過Zigbee的射頻部分將數據發送到樓道里的Zigbee無線收發模塊。無線收發總模塊有一個Zigbee設置為Coordinator（網絡協調器），可以是手持設備，也可以是安裝在一個固定位置，供多個樓道共用，其他無線收發分模塊Zigbee設置為Router（路由器），作用是收集用戶燃氣量數據并轉發至Coordinator，在多層（6層以下）住宅樓道安裝在一樓，在高層（10層以上）住宅樓，以10樓配置一個Router（路由器）為標準，在樓層中部安裝，如20樓的住宅，在7樓和14樓各安裝一個Router節點；遠程用戶終端模塊的Zigbee設置為End Device（終端節點），安裝在各用戶的燃氣表上，可收發數據，但是不能轉發數據，抄表頻率一般一月一次，且傳送距離一定在100米以內，End Device具有低功耗特征，可電池供電，周期性喚醒并執行設定的任務，能滿足設計要求。

遠程用戶終端模塊和無線收發模塊設計部分實現方法很多，本文不做討論。

3 Zigbee技術應用于抄表的不確定性

Zigbee技術應用于抄表的優點不做贅述，下面闡述三個不確定因素：（1）為Zigbee提供芯片的型號主要是TI公司的CC2430、CC2480、CC2530等芯片，芯片成本基本都在3美金上下，再加上能實現基本功能的最少外圍器件，其成本很難控制在10美金以內，燃氣公司和住戶可能都不愿獨自承擔改造費用，頗為尷尬；（2）Zigbee技術采用的頻段信號其衍射能力和穿墻能力都較弱。Zigbee模塊安裝在住戶家中，即使是一扇門或一扇窗，也會讓信號衰減，一堵墻則更甚。因此，廠家選擇使用射頻功放，對該信號進行放大來增強它的衍射能力和穿墻能力，可這樣又會增加輻射污染，與Zigbee技術低功耗的優點名不副實；（3）Zigbee技術很重要的一個亮點是它的自組網絡和自恢復能力強，所以對于溫濕度采集、污物采集、礦井定位等應用具有較大的吸引力。而對于無線抄表的應用中，Zigbee模塊位置一旦確定，一般情況是不會變動的，強大的自組網功能也就不被應用。

4 結語

雖然有很多不確定因素影響著Zigbee技術在無線自動抄燃氣表系統中的應用，但是這些不確定因素并不是不可解決的，運行成本還是要比人工抄表方式或其他自動抄燃氣表系統大幅降低，效率得到了提高，改造的難度也不大。本系統提出的方案，硬件和軟件都能實現，只需針對不同類型的燃氣表設計不同的遠程終端用戶模塊得到準確的燃氣讀數，便可實現無線自動抄表功能。當然，實現該系統還需大量實驗去論證和調試，調整合適Zigbee發送信號的功率，以保證無線收發模塊采集到的數據更加精準。

參考文獻

[1]王凱，彭瑜，鄭麗國，等.基于Zigbee無線水表自動抄表系統的研究與設計[J].自動化儀表，2006，21（1）.

[2]深圳市鼎泰克電子有限公司.ZigBee模塊用戶手冊V6.2[S].

（責任編輯：陳 潔）