基于ZigBee技术的住宅小区远程电能抄表系统研究*

魏立明 常 闯 龙 江

(1:吉林建筑工程学院电气与电子信息学院，长春 130118;2:湖南省岳阳电业局，岳阳 414000)

0 引言

随着住房与城乡建设部关于小康型城乡住宅科技产业工程城市示范小区规划设计导则文件相关政策的出台，远程智能化抄表成为此系统工程重要的组成部分，将起着不可低估的作用［1］.住宅小区中每个住户家中的计量表其安装位置各异，有些表(如电表)需要集中安装，有些表(如水表)却需要分散在住户家中，这样就给管理部门的抄表统计工作带来麻烦.如果逐户抄表时要耗费很多人力和时间，而且入户抄表很难一次完成，有时只能估计.自动抄表技术可从根本上解决入户抄表收费给用户和抄表人员带来的麻烦，避免许多不必要的纠纷，准确而便捷的收费系统，提高相关管理部门的工作效率［2］.本文针对目前国内远程电能抄表存在的问题，提出了基于ZigBee技术远程电能抄表系统，着重进行了该系统的硬件设计和软件设计，同时也对硬件设备进行了选型.

1 ZigBee技术

ZigBee技术是一种新兴的无线通信技术，它是一个由多达65 000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，在整个网络范围内，各节点之间可相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m到扩展后的几百米，甚至几公里.另外，整个ZigBee网络还可与其它的各种网络进行连接.ZigBee技术主要特点表现在短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度等几个方面.ZigBee采取了强有力的无线物理层所规定的全部优点，其在省电、简单、低成本的基础上，增加了逻辑网络、网络安全和应用层.ZigBee技术的应用领域，包括无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合［3］.ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，可以灵活确定其安全属性.ZigBee节点包括网络协调器、全功能设备(FFD)、精简功能设备(RFD)三类节点.网络协调器负责接收终端设备发送过来的数据，并将接收到的数据转发到目标接收器的设备.ZigBee网络经过FFD接力传送，可以扩展成其他拓扑结构，包括星型、树型、网状型结构.ZigBee网络通过协调器节点建立，协调器初始化后，首先搜索附近的是否有其他的协调器节点建立的网络，如果有就加入该网络，否则就会选择一个唯一的16位PAN ID建立ZigBee网络.

2 远程抄表系统总体方案设计

图1 远程抄表系统组成结构

远程自动抄表系统主要由电能表、采集器、集中器、监控中心、数据库服务器，以及连接设备的数据通信方式组成，其组成结构如图1所示.由图1可以看出，系统主要分为4部分:第1部分是管理中心及管理中心的数据转接器;第2部分是远程抄表集中器及数据转接器;第3部分主要是采集器;第4部分是带有通信接口的电能表.第1部分和第2部分可通过各种类型的通信网络进行数据传输，包括电话网、有线电视网络、电力网和无线通信网络等，因此，可以组建各种不同的自动抄表系统.从集中器的角度看，第2部分与第1部分和第2部分与第3，4部分之间主要包括上行信道和下行信道，在上行信道中，集中器利用GPRS网络与监控中心实现通信，其信道符合DLMS通信协议标准，在下行信道中，集中器和采集器之间利用无线收发芯片实现通信.第2部分和第3，4部分之间可通过电话线、低压电力载波线和无线方式获取电能表上电量，信道按照ZigBee协议和DL/645.1997规约读取电能表上的读数.

本文中所设计的抄表系统整体采用分布式体系结构，监控中心与集中器通过GPRS网络进行数据的采集，监控中心与集中器之间采用星型结构连接;集中器与采集器之间通过Zigbee网络中的CC ll00收发模块进行数据采集，集中器与采集器采用总线型拓扑结构连接.采集器与电表之间通过RS 485串口进行通信.本系统的工作过程如下:电能表经过采集器和集中器，通过一定的传输方式，将电能数据传给监控中心，然后由监控中心对数据进行分析、整理和统计等.在无线抄表系统中，首先在建立好上层和下层通信信道的基础上，系统监控中心发出抄表指令，集中器通过GPRS网络收到监控中心的抄表指令后，判断是否发送给自己的抄表指定，如果是发送给自己的抄表指定，才向采集器发送抄表指令.集中器必须要开通SIM卡的GPRS服务，还要对GPRS模块进行波特率、接入点名称等设置.集中器进行初始化后，会首先形成以自己为中心的网络，并给每个加入网络的采集器分配6个字节的网络地址.在其建立网络成功后，等待主控中心发送抄表指令，当收到指令后，集中器查看目的节点是否邻居节点，如果是，向邻居节点发送抄表指令，如果不是，则查找路由表，查找目的节点网络地址信息，向下一节点发送数据帧，该数据帧包含该目的节点的网络地址.如果该目的节点不在的网络地址信息不存在时，表明该目的节点不在该网络中，集中器作为源节点向周围的节点发送请求帧，知道该目的节点发挥路由请求响应帧，建立集中器和目的节点的通信网络.如果一直找不到目的节点，则集中器向监控中心返回抄表失败的命令.采集器在上电后进行初始化，初始化后进行电量计算和准备加入ZigBee网络，当收到集中器发送的加入网络的信标帧的应答帧后，就会获取网络信息并加入网络.并且该节点会选择网络深度最小的节点(集中器)发出连接请求帧，等待连接应答.加入网络成功后，就等待集中器发送的抄表指令，并返回该节点的采集的相关电量给集中器.

3 远程抄表系统中元器件选型

采集器位于整个抄表系统的数据采集器部分，通过RS 485接口和电能表进行数据采集，利用无线射频收发模块跟集中器进行数据通信，无线数据采集器主要由主控模块、射频无线收发模块、串口模块、显示模块、按键模块和实时模块组成，其组成如图2所示.

射频无线收发模块采用FT ll00-232，其主要功能，通过排查接口从抄表器或掌上电脑中接收抄表数据，将该数据进行编码后进行无线传输，集中器和采集器设备收到该无线数据后，将待返回的数据组织编码后进行无线传输，然后采集器设备收到该无线数据，信息进行处理后通过RS 485接口传输给电能表中，由相应程序进行显示.

集中器位于整个抄表系统的数据传输的中间位置，主要连接监控中心和数据采集器.通过带有CC ll00芯片的无线射频收发模块跟数据采集器进行数据通信.集中器主要由主控模块、无线射频收发模块、GPRS模块、2个串口模块、显示模块、按键模块和实时模块组成.无线抄表集中器GPRS模块将收集到的采集器的数据传输到监控中心，实现跟监控中心进行数据传输.为了达到模块通用化和提高整个系统的工作速度的目的，本设计选择的GPRS模块是GTM 900模块. GTM 900采用AT命令进行数据收发，利用UART接口与外部CPU实现通信，主要实现无线收发、音频处理、基带处理等功能.键盘、LCD显示器等外部设备由外部CPU进行控制.远程抄表系统的硬件选型如表1所示.

图2 采集器组成框图

表1 远程抄表系统硬件电路设备选型

4 远程抄表系统软件设计

在整个远程抄表系统软件设计中，ZigBee通信设计是关键内容.为了增加ZigBee网络的容量，以及解决网络中一个重要的电源供给的问题，ZigBee无线网络的集中器和电表之间的通信采用了需求时唤醒的工作模式.这种工作模式可从很大程度上节省电表节点的功耗，从而减少信息上报的碰撞概率，以延长无线网络的寿命.在通信初始化过程中，集中器主动广播连接信令.在电表成功地接收并验证一个数据帧和MAC命令帧后，会向集中器返回确认帧，然后ZigBee网络的智能电表节点置于Sleep工作模式，只进行居民用电的电能计量工作，拒绝无线网络中所有的连接请求.接下来集中器与智能电表进行主从角色的转换，集中器模块处于从模式工作状态，等待响应连接请求信令.此时电表节点工作在主模式工作状态中，等待有需求时唤醒发起连接请求.这种工作模式下电表节点只是在需要时唤醒并主动与集中器建立连接，从而有效地控制网络中其它ZigBee设备的射频干扰，以及屏蔽其它电表节点和集中器的非法连接请求，以保证集中器和电表节点之间通信安全可靠.集中器与电表之间通信流程如图3所示.

ZigBee网络中有3种设备类型，分别是协调器、路由器和终端节点，与之相对应的是本设计中无线抄表系统的集中器、采集器和电表.ZigBee网络中的每种设备的软件设计都从底层开始的话，那么，整个系统的工作量将会非常大.所以，为了降低无线抄表系统工作的复杂度，ZigBee协议栈采取了类似于某些软件中的可裁剪模块设计方法的解决方案，即在协议栈层中将所有设备的功能都包含进去，在应用时，只要在上层应用的几个配置源文件中定义一些参数就能实现所需要的功能，也正是这些不同的功能从而确定了该设备的类型.

当集中器上电后，首先初始化网络的深度、信道及波特率等有关的网络信息，并且形成以自己为协调器的网络，然后定时的向周围发送信标帧，随后进入网络中断的循环检测和处理过程.如果发现来自网络中某一节点的中断，则对此数据进行整理，并向该节点发送节点确认信息.如是网络中某一点发送的申请加入到网络当中，则根据目前自己是否有分配网络地址的能力，向该节点发出相应的应答信息，当节点加入网络，就可以跟该节点进行后续的通信工作了.采集器进行网络初始化后，向周围发送信标帧，请求加入已有的网络，等待集中器应答加入网络请求，加入网络成功以后，等待集中器发出抄表命令，向电能表发出抄表命令，抄表成功后，等待下一次抄表命令的发出.

图3 集中器与电表之间通信流程

5 结语

针对目前抄表系统中存在的主要问题，本文对基于ZigBee技术的电能计量无线抄表系统进行了研究，实现了电能计量和无线传输的结合.同时主要对智能远程抄表系统的整体结构进行了设计，对远程抄表系统的硬件电路元器件进行了选型，并对其软件进行了设计，所提方案为无线抄表系统的进一步开发提供了理论参考.

［1］JG/T162-2004.住宅远传抄表系统［M］.北京:计量出版社，2004:25-36.

［2］黄 伟，付银秀.电能计量技术［M］.北京:中国电力出版社，2004:66-86.

［3］崔爱国.人工智能化无线集中抄表系统的开发与实践［J］.电气应用，2009，28(20):82-84.

［4］吕锦柏，黄 梅，郑三立.电力载波抄表系统中集中器的设计与实现［J］.电气应用，2008，27(20):10-13.

［5］Lc B Y A，Santini S，Bentempi G.Adaptive model selection for time series prediction in wireless sensor networks［J］.Signal Processing，2007，87 (12):3010-3020.