基于ZigBee和GPRS的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)抄表效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，提出了一種無(wú)線遠(yuǎn)程抄表方案。結(jié)合ZigBee無(wú)線短距離通信技術(shù)和GPRS技術(shù)設(shè)計(jì)了一套抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)廣域網(wǎng)采用GPRS技術(shù)通信，局域網(wǎng)采用ZigBee無(wú)線短距離通信，該系統(tǒng)具有能耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低、通信安全可靠等特點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠完成數(shù)據(jù)采集、傳輸，抄表成功率高，同時(shí)該系統(tǒng)在醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

0 引言

隨著我國(guó)電力企業(yè)改革的不斷深入，電力企業(yè)無(wú)論是在管理方面還是在技術(shù)操作方面越來(lái)越現(xiàn)代化、智能化，而抄表作為電力行業(yè)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，抄表工作的好壞、抄表速度的快慢直接影響著電力工作的優(yōu)劣。現(xiàn)如今傳統(tǒng)的抄表方式由于效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，已無(wú)法滿足現(xiàn)代社會(huì)的需求。為此提出了一套先進(jìn)的遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)，

此系統(tǒng)主要是將ZigBee技術(shù)和GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端對(duì)用戶電表的控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。基于ZigBee和GPRS的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)主要有三部分組成。

1.1 數(shù)據(jù)采集傳輸端

數(shù)據(jù)采集傳輸端主要由采集器和集中器組成，數(shù)據(jù)傳輸端是通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通信。ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低復(fù)雜度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)、通信可靠等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集傳輸端主要負(fù)責(zé)用戶電表數(shù)據(jù)的采集和采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，使數(shù)據(jù)順利傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。

1.2 協(xié)調(diào)器和GPRS網(wǎng)絡(luò)

協(xié)調(diào)器是整個(gè)系統(tǒng)的中間節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建并且將ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心。GPRS網(wǎng)絡(luò)是遠(yuǎn)程無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，具有傳輸數(shù)據(jù)大、實(shí)時(shí)在線、頻率利用率高、傳輸可靠等特點(diǎn)。

1.3 監(jiān)測(cè)中心

監(jiān)測(cè)中心由監(jiān)測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成，監(jiān)測(cè)設(shè)備接收協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)可以向協(xié)調(diào)器發(fā)送需求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集傳輸端硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集傳輸端主要負(fù)責(zé)電表數(shù)據(jù)的采集以及發(fā)送。采集器負(fù)責(zé)電表數(shù)據(jù)采集，集中器起到承上啟下的作用，一方面是負(fù)責(zé)將采集器采集的數(shù)據(jù)順利傳送給協(xié)調(diào)器，另一方面是負(fù)責(zé)傳達(dá)協(xié)調(diào)器下達(dá)的命令。采集器和集中器均采用電源供電。采集器由傳感器模塊、處理器CC2430模塊、電源模塊、電源管理模塊、天線模塊、LED指示燈6部分組成，而集中器的組成包含除去傳感器模塊的所有模塊。主控芯片采用CC2430芯片是因?yàn)镃C2430在ZigBee技術(shù)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，CC2430是chipcon公司研究推出的、用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式的片上系統(tǒng)，CC2430芯片具有高性能、低能耗、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，CC2430芯片上整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器，具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，CC2430芯片工作時(shí)的電流損耗為27mA，休眠模式時(shí)僅為0.9 μA的能耗，待機(jī)模式時(shí)更少。電源模塊用于給處理器供電，LED指示燈用于顯示網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器由ZigBee無(wú)線通信模塊、處理器模塊、電源模塊、電源管理模塊、GPRS模塊、LED指示燈、LCD模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊8部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

協(xié)調(diào)器模塊也采用電源供電。ZigBee無(wú)線通信模塊主要用于數(shù)據(jù)通信，其設(shè)計(jì)和集中器一樣。處理器模塊用于數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)程操作功能的實(shí)現(xiàn)，其主控芯片選用美國(guó)德州儀器的MSP430F系列，MSP430F系列是一種具有功耗低、功能強(qiáng)、性能好等技術(shù)特點(diǎn)的16位單片機(jī)，具有豐富的尋址方式，程序代碼可以方便地寫(xiě)入和擦出，并且與MSP430F系列相適應(yīng)的C430語(yǔ)言與標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言兼容性好。處理器模塊和ZigBee模塊采用SPI總線通信，與GPRS模塊采用RS232串口通信。GPRS模塊用于協(xié)調(diào)器和遠(yuǎn)程終端通信，GPRS模塊采用SSIM900無(wú)線通信模塊，該模塊是有Simcom公司生產(chǎn)的，具有射頻天線，支持GSM/GPRS通信，并且還有本地SIM卡連接等。LCD模塊是用戶和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交互的界面，用來(lái)顯示菜單功能，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于對(duì)采集到數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是結(jié)合ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)來(lái)完成設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具備的功能主要是協(xié)調(diào)器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)、采集器定時(shí)自動(dòng)抄表、遠(yuǎn)程終端命令控制以及遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表等?；谝陨瞎δ埽到y(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和采集器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器是整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，并且還是ZigBee網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程終端的橋梁，能通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程終端的交互。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的功能主要有兩部分，一是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建，對(duì)其組建的網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，并且向采集器節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集信息，將采集的數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存，為了降低能耗，采集器和中繼器一般處于休眠狀態(tài)，所以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在需要采集數(shù)據(jù)信息時(shí)，首先應(yīng)該向采集器節(jié)點(diǎn)發(fā)送激活碼，激活采集器節(jié)點(diǎn);二是接受遠(yuǎn)程終端命令，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程終端建立連接，將采集的數(shù)據(jù)信息定時(shí)發(fā)送給遠(yuǎn)程終端，并且實(shí)時(shí)等待接收遠(yuǎn)程終端發(fā)來(lái)的命令，為保證GPRS模塊和遠(yuǎn)程終端有效連接，單片機(jī)需要通過(guò)GPRS模塊向遠(yuǎn)程終端發(fā)送握手信號(hào)，在握手失敗時(shí)再次發(fā)送建立連接。

3.2 采集器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集器的功能主要有兩部分，一是定時(shí)自動(dòng)抄表，隨時(shí)記錄電表中的數(shù)據(jù);二是定時(shí)監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器是否發(fā)來(lái)激活碼及網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。采集器作為休眠節(jié)點(diǎn)，除了設(shè)定的定時(shí)抄表時(shí)間和接收協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)網(wǎng)絡(luò)信息及向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)信息時(shí)間，為了降低能耗，一般其他時(shí)間采集器都處于休眠狀態(tài)。采集器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試主要分為兩部分：節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間通信的測(cè)試和遠(yuǎn)程抄表成功率的測(cè)試。1)節(jié)點(diǎn)測(cè)試，本系統(tǒng)選取曲阜師范大學(xué)教師公寓30臺(tái)電表進(jìn)行測(cè)試，部署1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、3個(gè)集中器節(jié)點(diǎn)、30個(gè)采集器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)發(fā)射功率設(shè)置為17dBm，節(jié)點(diǎn)在空曠的空間通信距離可達(dá)150m，經(jīng)測(cè)試，節(jié)點(diǎn)通信在樓宇建筑物中可以穿越樓板，并且通信結(jié)果受天氣影響不大，系統(tǒng)的魯棒性較強(qiáng)。2)抄表成功率測(cè)試，系統(tǒng)定時(shí)每月抄表3次，經(jīng)測(cè)試及對(duì)測(cè)試結(jié)果分析，系統(tǒng)一次抄表的成功率為98.7%，二次、三次抄表成功率為100%。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)安全可靠、通信可靠、抗干擾性強(qiáng)、功耗低、成功率高、維護(hù)方便，既方便了用戶，同時(shí)又提高了電力工作人員的工作效率和服務(wù)質(zhì)量。

5 結(jié)論

本文利用當(dāng)前比較先進(jìn)的ZigBee無(wú)線短距離通信技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)出了一種實(shí)用的無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有能耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)、通信安全可靠、魯棒性強(qiáng)、搭建靈活、運(yùn)營(yíng)成本低等特點(diǎn)，可以說(shuō)是與當(dāng)前電力系統(tǒng)實(shí)際相結(jié)合的產(chǎn)物。實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)無(wú)線抄表成功率高，系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單，完全可以取代人工抄表。同時(shí)本系統(tǒng)可移植

性較強(qiáng)，不僅在抄表方面應(yīng)用前景廣闊，在醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域也具有很強(qiáng)的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。