基于ZigBee的智能水務系統的研究

盧愛紅+吳健

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.02.008

摘 ?要： 為了提高用水企業水平衡分析的效率，提出一種基于ZigBee的智能水務系統的設計方法。智能水務系統由多個ZigBee節點和ARM開發板組合而成，其中ZigBee節點構成的傳感網絡通過自定義的無線網絡ZigBee通信協議獲取各級水表網絡拓撲和各級水表讀數，ARM開發板在Qt/Embedded的界面設計中完成網絡拓撲數據解析、生成拓撲圖、各級水表數據顯示和存儲等任務。本系統綜合了ZigBee網絡的智能采集和ARM開發板強大的數據處理能力，具有較強的環境適應力和分析處理能力。

關鍵詞： ZigBee; ZigBee通信協議; ARM; Qt/Embedded

中圖分類號：TP368.2 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2016）02-26-03

Study of intelligent water meter system based on ZigBee

Lu Aihong， Wu Jian

（Suzhou Institute of Trade & Commerce， Suzhou， Jiangsu 215009， China）

Abstract： In order to improve the efficiency of the water balance analysis in the water-consumption enterprise，this paper proposes a design method of intelligent water meter system based on ZigBee. The intelligent water meter system is composed of multiple ZigBee nodes and an ARM development board. Via a self-defined ZigBee wireless network communication protocol， the sensor network made up of multiple ZigBee nodes obtains the network topology of water meters and the readings of water meters. In Qt/Embedded user interface design， the ARM development board completes the analysis of network topology data， generates topology map， displays meters' data， and storages the data. This system combined the ZigBee network's intelligent gathering and the ARM development board's powerful data processing capabilities， has strong environmental adaptabilities and analysis capabilities.

Key words： ZigBee; ZigBee communication protocol; ARM; Qt/Embedded

0 引言

智能水務系統需要對用水企業的各級水表數據實時采集，通過網絡傳輸到總控制器匯總后，進行水平衡分析。系統能夠完成周期性的自動采集、自動傳輸、自動分析，并輸出統計報表的任務。用水企業的各級水表數量龐大，由于人工讀表效率太低，所以利用物聯網的優勢，在系統前端使用物聯網無線傳感網絡采集數據。水表讀數數據流相對于音/視頻流是較小的，所以對無線傳感網絡的傳輸帶寬要求不高，但大量終端傳感節點需要長時間待機工作，對功耗要求非常敏感。ZigBee無線傳感網絡因其數據速率低、功耗低、穩定性高的特點，在物聯網數據采集前端獲得了廣泛的應用。ZigBee傳感網絡一般使用網狀、樹狀拓撲結構，通過路由節點實現網絡中繼，拓寬了ZigBee傳感網絡的覆蓋范圍，對方圓幾公里的用水企業可以實現全范圍覆蓋。

1 系統要求與整體設計

智能水務系統由ZigBee傳感網絡和主控制平臺兩部分組成。TI公司針對ZigBee2007協議推出了SoC芯片CC2530和軟件協議棧Z-Stack，使用上述硬件和軟件資源，構建無線傳感器網絡。傳感網絡中的ZigBee終端節點與各級水表數據相連，讀取水表度數。ZigBee各節點采用CC2530作為主控芯片，CC2530芯片提供ZigBee無線收發的射頻前端，CC2530芯片上同時集成了51單片機，能夠實現簡單通信接口的編程。企業使用的水表通信接口有RS485、ModBus總線等，使用單片機模擬通信接口，實現與水表的無縫對接。ZigBee網絡使用樹狀拓撲結構，由ZigBee路由節點完成網絡中繼的任務。整個網絡中惟一的ZigBee協調器節點通過RS232與主控制器相連。主控制器采用帶液晶顯示屏的ARM開發板，完成ZigBee節點網絡地址的獲取、功能節點的綁定、ZigBee網絡拓撲結構的獲取、周期性讀取各級水表讀數、水表讀數歷史紀錄保存和統計等工作。

系統設計框圖如圖1所示[1]。

2 硬件設計

系統的硬件設計分成兩部分。

第一部分是ZigBee終端和路由節點的設計。ZigBee終端和路由節點的單板以CC2530為核心芯片。CC2530芯片有兩個UART串口，可以通過RS232轉RS485芯片轉換后，連接兩個RS485總線的水表。每個終端節點和路由節點能夠連接兩個水表，有效降低了ZigBee節點的數量。路由節點和終端節點的區別在于ZigBee協議棧的軟件配置的區別。

第二部分是ZigBee協調器節點的設計。ZigBee協調器節點通過串口與ARM主控板連接。ZigBee協調器節點作為ZigBee網絡的核心，能夠查詢ZigBee網絡所有終端和路由節點的信息，并能發送執行指令到所有節點。ARM主控板采用S3C2440作為核心CPU，主頻達400MHz，具有很強的處理能力。ARM開發板的開發過程為：首先用交叉編譯工具arm-linix-gcc編譯u-boot、Linux操作系統和文件系統，操作系統編譯時需加載7寸LCD顯示屏的驅動。再將三個可執行文件安裝到開發板，調試成功后，LCD顯示屏能夠顯示初始圖片，并且串口進入命令行。然后進入應用層的調試階段，要在7寸LCD液晶屏上顯示Qt/Embedded界面，必須配置Qt/Embedded的運行環境[2]，方法為：通過掛載網絡文件系統，將Qt4.7交叉編譯的庫文件傳輸到Flash，再修改文件系統的啟動腳本rcS，并設置如下全局變量：庫文件目錄QTDIR、顯示設備文件QWS_DISPLAY、輸入設備文件QWS_MOUSE_PROTO等參數。最后，在ubuntu環境下的Qt Creator編程環境中仿真設計QT界面，經過交叉編譯后，下載到ARM開發板的文件系統中，直接運行。QT界面可用拓撲圖實時、直觀地顯示各個節點的水表位置和水表數據。

3 軟件設計

智能水務系統的節點繁多，智能管理ZigBee節點是設計的重點。ARM開發板作為主控制器，通過自定義的ZigBee無線網絡通信協議與直連的ZigBee協調器通信，查詢ZigBee網絡節點狀態，并發送指令到指定的ZigBee節點。ARM開發板與ZigBee協調器之間通信有兩個功能：①查詢ZigBee網絡各節點地址;②查詢各個水表讀數。ZigBee無線網絡通信協議的數據包格式是用戶自定義的。命令包格式和返回包格式如圖2、圖3所示。

每個ZigBee節點都有物理地址和網絡地址，節點的物理地址在使用ZigBee節點之前由用戶手動輸入，節點的網絡地址由ZigBee網絡自動分配。ZigBee物理地址的設置需根據用水企業中不同級別的水表編號對ZigBee節點的物理地址賦值，以便ARM開發板在獲取所有節點的物理地址之后，能根據物理地址解析出水表的級別和編號。ARM板主控制器可以通過ZigBee協調器查詢每個節點的物理地址和網絡地址。ZigBee協調器向ZigBee網絡各個節點發送廣播幀，目的節點網絡地址設置為0xFFFF，查詢當前網絡中所有節點的地址、及其父節點的地址。查詢地址命令即讀取網絡RNW命令包，格式為：&（1字節）+WSN（3字節）+RNW（3字節）+"yyyyyyyy"（8字節）+*（1字節）。讀取網絡RNW命令的返回包格式為：&（1字節）+WSN（3字節）+RNW（3字節）+（type）S（1字節）+節點網絡地址（2字節）+總節點數（1字節）+節點類型（3字節）+節點物理地址（8字節）+父節點網絡地址（2字節）+PANID （2字節）+"yyyyy"（5字節）+*（1字節）。ZigBee網絡中每個節點收到查詢的廣播幀后，都會向網絡地址默認為0x0000的協調器發送自己節點的網絡地址、節點類型、節點物理地址、父節點網絡地址。ARM開發板根據ZigBee協調器反饋上來的網絡地址和其父節點網絡地址，畫出當前用水企業水表樹狀拓撲圖。

ARM開發板獲取ZigBee網絡的各個節點地址之后，定時向ZigBee協調器查詢各個節點水表數據，并在水表拓撲圖中實時顯示出來。ZigBee協調器依次輪詢ZigBee網絡中所有節點的網絡地址。查詢水表讀數的數據格式也需預先定義。讀取水表數據 RWD的命令包格式為：&（1）+WSN（3）+RWD（3）+節點網絡地址（2）+"yyyyyy"（6）+*（1）。讀取水表數據 RWD的返回包格式為：&（1）+WSN（3）+RWD（3）+（type）S（1）+節點網絡地址（2）+水表數據（4）+"yyyyyyyyyyyyyyyy"（16）+連接質量（1）+*（1）。ZigBee協調器將輪詢的各個節點的水表讀數及時更新到協調器本地的存儲器中。

ARM開發板Qt/Embedded界面設計中，設置定時向ZigBee協調器查詢節點地址的定時器，根據數據庫中存儲的最新ZigBee節點數據，畫出ZigBee節點的樹狀拓撲圖。首先尋找以樹根ZigBee協調器（網絡地址0x0000）為父節點的子節點，作為樹狀拓撲結構的第一層，再逐層找到樹狀拓撲的各層節點的網絡地址，最終完成整個樹狀拓撲的繪制。界面設計中同時也需要設置定時向ZigBee協調器查詢節點水表讀數的定時器，最新水表讀數數據存儲到本地數據庫，以便應用程序進行統計和分析。

4 實驗結果

選用8個ZigBee節點，14個水表，1個ARM開發板作為本系統的實驗設備，1個ZigBee節點作為協調器，與ARM開發板直接連接，其余ZigBee節點分別燒錄路由節點和終端節點的代碼。ARM開發板燒錄u-boot、Linux操作系統、文件系統3個可執行文件和設計的Qt/Embedded界面程序。

首先啟動ZigBee協調器，然后相繼啟動ZigBee路由和終端節點，各節點自動組成樹狀網絡。對ARM開發板上電，正常啟動Linux操作系統和Qt/Embedded界面程序，界面程序發送讀取網絡RNW的指令，再等待從ZigBee協調器返回的各節點地址數據，解析出當前樹狀網絡的拓撲結構圖，利用Linux操作系統中的MySQL數據庫存儲拓撲結構數據，使得ARM開發板重啟后，存儲的數據能自動加載，并還原出拓撲結構。

Qt/Embedded界面程序中設置定時查詢功能，定時發送讀取水表數據RWD命令，獲取最新的各節點水表數據，保存到MySQL數據庫。應用程序可根據各節點水表數據，進行水平衡分析，若發現漏水節點，及時發出警告。

5 結束語

本系統選用ZigBee節點和ARM開發板聯合設計，綜合了ZigBee傳感網絡智能采集數據和ARM核心處理器強大的處理能力。硬件上重點解決了ZigBee傳感節點和ZigBee協調節點主控制器的設計，軟件上重點設計了ZigBee無線網絡通信協議和智能水務系統Qt/Embedded界面，創新性地提出了ZigBee網絡拓撲解析和智能水務系統數據存儲統計分析的方法。系統聯調后功能正常、運行穩定。本系統的設計為物聯網在智能水務系統中的應用提供了較完整的解決方案和系統化的設計思路，但是功能相對簡單、粗糙，在實際企業應用中，需在此框架設計的基礎上，進一步優化細節。

參考文獻（References）：

[1] 盧愛紅，劉中原，馮蓉珍.基于ARM的自助出票機便攜式終端

設計[J].計算機時代，2013.9：28

[2] 盧愛紅.基于Qt/Embedded的水務數據監測系統[J].計算機

時代，2014.12：22

[3] 吳麗琴，袁輝，翟國慶，束慧.基于WSN的水務管理系統設計

與實現[J].工業儀表與自動化裝置，2013.6：20

[4] 楊明祥，蔣云忠，田雨，王浩.智慧水務建設需求探析[J].清華大

學學報（自然科學版），2014.54（1）：133

[5] 劉勛，趙勇，雷新民.物聯網技術在智能水務建設中的應用研

究[J].給水排水，2014.40（11）：99

[6] MICHAEL Owens.The Definitive Guide to SQLite[M].US：

Apress，2006.