基于Zigbee网络的无线热量表管理系统设计

山东大学控制科学与工程学院 张 健 姚福安 荣海林

1.引言

目前，在我国电表、热量表、水表、煤气表等运行和计量操作，绝大多数采用人工抄表方式，人工操作不仅费时费力，时间跨度大，而且可能会存在漏抄、错抄等问题[1]。近年来，无线通信技术在抄表系统方向发展迅速。无线抄表系统，不仅操作简单，准确迅速，效率高，而且可以实现实时数据的读取，便于及时检测管理，实现了管理系统的智能化。

2.无线热量表管理系统方案

2.1 数据传输网络的选择

Zigbee无线技术与移动网(GPRS，CDMA)相比，Zigbee网络无网路使用费，设备成本低、功耗低；与现有的数传电台相比，Zigbee网络数据传输可靠性高，抗干扰性能好，保密性高。另外，Zigbee网络容量大，并在自配置、自修复、自管理等方面有着非常独特的优势，因此无线热量表管理系统选择Zigbee无线网络传输。

2.2 热量表控制方式选择

管理中心采用Zigbee无线网络与热量表通信，但热量表与Zigbee网络之间的通信有两种方案。方案1：热量表与Zigbee无线模块连接，热量表直接与Zigbee无线网络通信。方案2：热量表通过总线(RS485或者M-BUS)连接数据采集器，数据采集器与Zigbee无线网络通信。方案比较：方案一的Zigbee无线模块个数远远超过方案二，成本高；而且方案一热量表必须安装在用户室内，但Zigbee终端节点数据传输容易受环境因素影响并且穿墙能力有限，即使设置Zigbee路由器节点做信号覆盖，也会出现数据包丢失或者无法连接网络，方案二安装方便灵活，可以根据外界环境选择最优的传输线路，传输数据可靠。实际应用中方案一实施困难，因此选择方案二。

在集中抄表领域应用中，M-BUS和RS485两种总线都有广泛的应用，但M-BUS总线因其成本低廉，传输信号准确，负载力强，拓扑结构灵活等优势，所以更具有优势和发展的空间。所以热量表与数据采集器之间通信选用M-BUS总线。

2.3 系统方案简介

基于zigbee无线网络的热量表管理系统，热量表通过M-BUS总线连接到M-BUS数据采集器，然后通过Zigbee网络无线传输到管理中心。为了实现远程监控，设置一个GPRS模块与Zigbee协调器通信。

3.无线热量表管理系统设计

本无线抄表管理系统主要功能是对用户热量表数据采集存储，可对用户热量表进行远程通断操作，并实现远程温度可控。系统主要包含3部分：用户热量表、Zigbee网络、管理中心。统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

3.1 用户热量表

用户热量表，取暖管道上按装可控阀门，由热量表主控芯片控制驱动电路驱动电磁阀，当出现欠缴费或者其他特殊情况时，可远程实现开关阀门。另外在用户热量表有温度采集装置，当回水温度达到预设定温度时控制阀门，通过调节控制阀的角度让回水温度基本保持恒定，保证整个小区的采暖均匀。用户热量表通过M-BUS总线连接到M-BUS抄表器。

3.2 Zigbee网络

Zigbee网络分为：Zigbee数据采集器、Zigbee数据中转器和Zigbee数据集中器三部分。Zigbee无线模块主芯片采用TI公司推出的高性能、低功耗芯片CC2530F256，组建小区无线局域网，保证数据安全可靠的传输和系统的稳定运行。

3.2.1 Zigbee数据采集器

Zigbee数据采集器，集成了M-BUS抄表器和Zigbee终端节点，主要任务包括数据采集、数据无线通信、电压检测和休眠4个事件，结构图如图2所示。

图2 Zigbee数据采集器

数据采集和休眠：Zigbee终端节点通过串口与M-BUS抄表器通信，获取用户热量表的信息，无线上传到数据中转器。Zigbee数据采集器节点采用电池供电，平时处于定时休眠模式，这种工作模式极大的延长了电池的使用寿命。

电源模块和电压检测模块：由于充电电池输出电压3.7V，而Zigbee模块主芯片CC2530的供电电压为2V～3.6V，选择CAT6219—330设计的稳压电路给系统供电。Zigbee网络节点均采用电池供电，电量会逐渐降低，必须对供电电池进行电压检测。系统采用HT7027电压监测芯片，实现对电池电量欠压的检测，电路图如图3所示[2]。

图3 电源电路和电压检测电路

时钟模块电路：采用时钟芯片DSl302，用来记录数据采集的日期和时间，便于工作人员查询和分析数据。DS1302功耗低、外围电路简单，非常符合Zigbee数据采集器的要求。

3.2.2 Zigbee数据中转器

Zigbee数据中转节点为了保证Zigbee网络数据的可靠传输距离，增大网络覆盖面积，增加了RF功率放大电路，并有外扩存储器，用来暂存数据[3]。功率放大芯片选择Ti公司官方推荐的的CC2591。如果小区范围比较小，可以省略Zigbee数据中转器，降低系统的复杂度，增强系统的可控性。

3.2.3 Zigbee数据集中器

Zigbee数据集中器主要包括Zigbee协调器、GPRS模块和主控MCU三部分，结构图如图7所示。Zigbee协调器负责整个小区无线局域网的组建和最优化路由选择，当网络中有数据采集器添加或者删除时，Zigbee协调器会自动调整，建立新的优化路由，使上位机面对一个完全透明的网络。Zigbee协调器将整个网络的数据进行汇总，直接传送到小区管理中心或者通过GPRS模块传送到远程监控中心。

图4 Zigbee数据集中器

主控MC U，采用TI公司的超低功耗芯片MSP430F149，通过SPI与CC2530无线模块进行通信，通过串口与GPRS模块通信。GPRS模块，选择SIMCOM公司生产低功耗、性能稳定的SIM900，必须使用SIM卡，并开通GPRS业务，所以需要承担一定的费用。电路图如图5所示。

图5 GPRS模块电路图

图6 系统基本应用过程

3.3 管理中心

管理中心，管理员利用连接网络的电脑，通过上位机控制热量表系统，可以对任意的用户热量表进行数据采集和远程通断操作。系统一般采用定时抄表，可以根据实际情况改变抄表的时间，系统把采集到的数据自动存入数据库并备份，可以为用户提供详细的打印报表。系统提供安全的财务软件接口，并实时的进行数据交换，具有收费对账和收费转结功能。如果用户出现趋于欠费或者已欠费情况，上位机会明确显示，如果是用户恶意拖欠，管理者可以将用户的取暖管道远程关断，直到用户补齐所有费用，再远程打开管道。如果管理者需要更换IP地址，可以给GPRS模块的SIM卡发送更换IP地址短信，格式如“管理密码+新IP地址”给GPRS模块，完成IP地址的更换。

4.系统工作流程

系统基本工作过程，主要分为Zigbee网络初始化、热量表数据采集、GPRS远程数据传输和上位机远程控制，系统的基本应用过程如图6所示。

Zigbee网络初始化，Zigbee协调器负责网络的组建和管理，允许节点的加入和撤销。节点上电并初始化，按预设定频道搜索网络，当搜索到网络后申请加入网络，并将自己的节点ID发送给Zigbee协调器。Zigbee协调器接收节点ID后添加节点，并更新网络。用户热量表信息采集有两种方式：定时循环采集、工作人员发送命令采集。一般采用定时循环采集，Zigbee数据采集器一般处于休眠。当Zigbee数据集中器接到上位机的指令时，无法直接下达给Zigbee数据采集器，先把指令进行存储，当Zigbee数据采集器醒来之后，首先必须向Zigbee数据集中器发送询问消息，来获取控制指令。

GPRS通信，设定SIM900参数、建立TCP/IP连接和传送数据都是通过AT指令来实现的。AT指令以AT开头，以回车作为结尾；每条指令是否成功执行都有相应的响应返回。主控芯片MSP430F149通过串口与SIM900通信，SIM90 0的TCP/IP功能系统采用透传模式。透传模式下，SIM900串口接收到的数据均被看作是数据包，而不是AT指令。命令模式与数据模式可以相互切换[4]。

5.结束语

Zigb ee组建的短距离无线局域网络结合GPRS远程通信技术，使无线抄表管理系统数据传输可靠、准确迅速、安装方便、管理简单。Zigbee网络扩展性强，系统自行处理表具的添加和删除。GPRS网络的远程数据传输弥补了Zigbee网络传输距离受限的缺陷。该系统同样可以应用到各类表的远程管理，极大的降低了人力物力成本，从而实现表具管理的智能化。

[1]商莹,郭静.基于ZigBee的无线抄表系统[J].华章,2011,16.

[2]吴祥,康戈文.ZigBee的远程低功耗灌溉控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2013,13.

[3]冯军,宁志刚,阳璞琼.基于ZigBee的无线抄表系统设计[J].电力自动化设备,2010,8.

[4]王昆,陈晰志.基于GPRS的地下水动态水位监测系统研究[J].计算机测量与控制,2011,19.