基于ZigBee網絡和M-Bus總線的熱量表遠程抄表方案設計

季勇，仇國富

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

在供熱服務行業中，通過計量熱量收費明顯比傳統的按住宅面積收費的方式更加合理，但是，由于種種原因，前者一直沒有得到有效普及，抄表問題是其中的一個重要問題。

自來水等行業中一直沿用的抄表員入戶抄表的方式不僅效率低下，而且對于以前不需要抄表員的供熱公司，使用這種方式額外增加了人力成本。隨著通信技術的發展和物聯網技術的日趨成熟，供暖計費領域必將選擇自動抄表方式[1]。

在我國水、電、煤氣、供暖等行業中，除供電行業在小范圍內使用了遠程抄表方式[2]外，包括供暖行業在內的其他行業并沒有成熟的遠程抄表方案，其中供暖行業要實現遠程抄表面臨以下問題：1) 采用純無線通信的抄表系統由于通信能耗大，很難解決熱量表供電的難題，而純有線抄表在線路鋪設和后期維護方面難度也很大；2) 由于居民已習慣按面積收費的供暖計費方式，如果采用以一個城市所有用戶為對象的熱量表抄表系統難以短時間內被如此大量的居民所接受[3]。

基于以上兩點，本文設計一種針對小區的有線加無線的熱量表抄表系統。

1 系統總體方案設計

系統分為有線抄表部分和無線抄表部分。在樓棟內采用抄表總線把用戶的熱量表連接到集中器上，集中器有穩定電源供電，同時總線為各住戶中的熱量表供電，這樣就解決了熱量表供電問題。

樓棟與抄表中心之間采用無線方式傳遞數據。樓棟之間是空間較大的露天環境，采用無線方式抄表可以省去布線的麻煩，并且讓日后的系統維護變得簡單。

本方案以小區為范圍進行抄表，抄表中心設置在小區中，這種小范圍的抄表系統更加容易獲得推廣。該方案以小區為單位獲得廣泛認可后，可以將抄表中心直接連接互聯網，實現更長距離、更大范圍的自動抄表系統。

1.1 有線部分方案

目前的有線通信方式中，CAN總線具有較高的通信速率(1 Mbps)、較遠的通信距離(長達10 km)和較強的抗干擾能力[4]。CAN總線在通信時所有設備都可以工作于主機模式，而采用優先級的方式避免通信沖突，但抄表網絡中所有熱量表都處于同一優先級，所以CAN總線不適用于抄表系統。

RS485總線網絡實現簡單，接口便宜，支持儀表眾多，在低端市場得到了廣泛的應用。但是，RS485總線通訊設備容量小，理論上最多接入不超過128個設備；不能給下接設備供電，設備需要單獨解決供電問題。RS485總線也不適用于抄表系統。

M-Bus(meter bus)總線又稱為戶用儀表總線，是一種用于非電力戶用儀表傳輸的歐洲總線標準。所采用的主從結構的半雙工通信，滿足抄表要求的同時使通信變得更加簡化；無極性的二線制設計使布線工藝大大簡化，能夠降低成本；可以在完成通信的同時為儀表供電，解決了熱量表等家庭計量儀表的供電問題。這些優勢使得M-Bus非常適用于抄表行業。所以，本文采用M-Bus總線作為抄表方案的有線部分。

1.2 無線部分方案

目前應用較多的無線抄表技術中，GSM是非常成熟的無線通信網絡服務，利用短消息進行抄表數據的傳送，優點是使用方便，技術成熟可靠，維護成本低。但是，對于本系統，一個小區內熱量表數量眾多，抄表數據量較大，長期使用需要向移動公司繳納高額費用；系統的安裝、運行和維護要受制于移動公司。

GPRS技術是基于分組交換的數據傳輸方式，優點是具有較高的傳輸速率，并且可以接入Internet。但是，GPRS設備價格較高，長期運行也存在受制于移動公司的問題。

ZigBee技術是一種短距離、低復雜度、低數據速率、低成本的雙向無線網絡技術。ZigBee協議采用自組網的方式，由網絡中的協調器建立一個網絡，任何加入該網絡的路由器都可以獨立接收其他設備加入網絡，組網過程非常方便快捷。ZigBee網絡在傳輸數據的過程中采用自動路由的方式，ZigBee協議棧提供了完善高效的路由算法，通過多跳的方式傳輸數據，保證了數據傳輸的可靠性。另外，ZigBee協議工作在2.4 GHz免費頻段，運營成本很低。雖然通信距離比較短，但是使用功率放大器后也可達到1 km以上，再加上以多跳的方式傳輸數據，完全達到了小區范圍內的通信要求[5]。

通過以上對比可以看出，ZigBee與其他幾種常用的無線通信技術相比，具有無運行費用，不受通信運營商限制的優點，更加適用于無線抄表。

系統總體方案如圖1所示，系統通過小區內的管理中心發送抄表命令和獲取抄表數據，管理中心上位機通過USB轉串口與ZigBee主節點相連。ZigBee主節點負責建立一個ZigBee網絡，位于各樓棟內集中器中的ZigBee分節點和安裝在小區中的中繼節點加入該網絡[6]。集中器MCU負責M-Bus總線和ZigBee網絡的通信。集中器MCU通過M-Bus轉換電路連接到M-Bus總線，向掛在總線上的熱量表發送控制命令和接受熱量數據。各住戶家中的熱量表既通過M-Bus總線收發數據，又由M-Bus總線供電。

圖1 系統總體方案

2 系統各部分硬件設計

2.1 從機硬件結構

從機的主控芯片采用MSP430F4152超低功耗單片機。主控芯片采用UART串口進行M-Bus總線上的數據收發。M-Bus從機電路實現單片機UART串口與M-Bus總線的信號調制，從機結構如圖2所示。

圖2 從機結構圖

M-Bus從機到主機的通訊采用電流調制。用<1.5 mA的電流值表示邏輯“1”，用11～20 mA的電流值表示邏輯“0”。主機到從機的通訊采用電壓調制。用+36 V表示邏輯“1”，用+24 V表示邏輯“0”。

M-Bus從機電路采用TSS721A芯片，該芯片是根據M-Bus通信標準設計的終端收發芯片[7]。該芯片既能將單片機輸出信號轉換為M-Bus總線電流信號，也能將M-Bus總線電壓信號轉換為單片機輸入信號。

M-Bus從機電路如圖3所示。TSS721A的RX和TX引腳分別連接單片機的輸出引腳和輸入引腳；BUSL1和BUSL2引腳連接M-Bus的2根無極性傳輸線。P溝道MOS管BSS84起熱量表供電方式切換作用，M-Bus總線正常工作時TSS721A的VS引腳為高電平，MOS管導通，由VDD引腳向熱量表供電；M-Bus總線斷電時，VS引腳為低電平，MOS管截止，熱量表由自帶的電池供電。

圖3 從機電路圖

2.2 集中器結構

集中器由M-Bus轉TTL電路、集中器MCU、ZigBee路由器和電源模塊組成(圖4)。M-Bus轉TTL電路實現M-Bus電流電壓信號與集中器MCU的TTL電平信號之間的轉換。集中器MCU一方面通過ZigBee路由器連接到ZigBee網絡，完成與管理中心的通信，另一方面通過M-Bus總線對各個熱量表進行控制，完成數據傳輸。因為集中器的電源模塊外接220V電源，ZigBee節點不必考慮低功耗問題，同時考慮到ZigBee路由器能夠作為父節點添加其他節點并具有路由功能，能夠使組網更容易實現，數據傳輸更為可靠,將集中器中的ZigBee節點類型設置為路由器。

圖4 集中器結構圖

2.3 管理中心結構

管理中心由ZigBee協調器和上位機組成。上位機與ZigBee協調器通過USB轉串口進行通信。上位機的管理軟件通過ZigBee協調器向ZigBee網絡中的其他節點發送控制信號，并接收其他節點傳回的抄表數據[8](圖5)。

圖5 管理中心結構圖

3 系統工作流程

3.1 無線網絡的組建

管理中心開始工作后，ZigBee協調器先選擇一個能量最低的信道，建立ZigBee網絡，然后持續向外發送包含該網絡信息的信標[9]。各集中器上的ZigBee路由器在各個信道上搜索符合加入條件的網絡。當搜索到協調器建立的網絡后，路由器便向協調器發送消息申請加入網絡，協調器收到該消息后進行判斷，若路由器符合加入條件，協調器就允許路由器加入，并為路由器分配網絡地址，協調器就成了該路由器的父節點[10]。

由于路由器也可以像協調器一樣允許其他設備加入網絡，其他集中器中的ZigBee路由器可以按照信號強度最強的原則，選擇協調器或其他已經在網絡中的路由器或協調器作為父節點加入網絡。每個集中器通過這樣的流程加入網絡，ZigBee組網完成[11]。

3.2 抄表命令的發送與抄表數據的接收

抄表管理中心通過定時自動抄表和人工設置待抄表表號兩種方式發送抄表命令。抄表命令經過協調器依次發送到ZigBee網絡中的每個節點。一個集中器上下屬的所有從機抄表結束后，管理中心再對下一個集中器發送抄表命令，進行抄表。一個集中器接收到抄表命令后，依次向下屬的每一個熱量表發送抄表命令，讀取抄表數據。一個熱量表的抄表數據讀取完畢后，集中器將數據通過ZigBee路由器向管理中心發送。發送完成后再向下一個熱量表發送抄表命令。最后一個抄表數據發送完畢后，集中器向抄表中心發送抄表完畢消息，抄表中心開始對下一個集中器下屬的熱量表進行抄表。

4 結語

本文針對自動化抄表的趨勢，設計了一套應用于小區范圍的熱量表抄表方案。該方案采用有線加無線的通信方式，有線部分采用無極性二線制M-Bus總線，易于布線的同時解決了熱量表長期供電的問題；無線部分采用ZigBee無線通信技術，該通信技術組網方便、可靠性高、成本較低，系統建立了可靠的通信網絡，保證了抄表數據的可靠性，具有完善的故障報告機制，便于網絡維護。本系統在小區范圍內的應用獲得廣泛認可后，可以通過管理中心連接寬帶網的方式，實現更大區域乃至整個城市范圍的自動抄表網絡。

參考文獻:

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