一种基于ZigBee技术远程无线抄表系统的实现

黄泽界

摘 要： 为了解决传统抄表方式低效、易出错的问题，提出了一种基于ZigBee技术和GPRS技术的低成本、低功耗电力抄表系统，阐述了系统的总体构成，对硬件系统中的终端采集节点、路由节点、协调器节点进行了设计，并给出了程序流程图。该系统实现了对用户电能表数据信息高效、快速和可靠的远程采集，提高了电力抄表效率。

关键词： ZigBee； GPRS； 无线抄表系统； CC2530

中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）11?0019?03

Abstract： A low cost and low power consumption electricity meter reading system based on ZigBee technology and GPRS technology is put forward to solve the problems that traditional meter reading methods are inefficient and error prone. The gene?ral structure of the system is described. The terminal acquisition node， routing node and coordinator node in the hardware system are designed. The program flow chart is given. The remote data information acquisition with high efficiency and high reliability for users′ electric energy meters was implemented by the system， which improves the efficiency of electric power meter reading.

Keywords： ZigBee； GPRS； wireless meter reading system； CC2530

当前，国内采用的抄表方式主要有两种，一种是传统的人工抄表，这种方式中，供电中心的工作人员需要到用户所在地逐户抄表，然后再将这些数据录入供电中心的计算机进行处理和存储，这种抄表方式即费时费力，又易于出错；另一种抄表方式是自动抄表，自动抄表又分为有线和无线两种方式，有线自动抄表系统增加了综合布线的难度和费用，降低了系统应用的灵活性，因此难以得到推广和应用。无线抄表系统利用无线通信技术，实现集中抄表，相较而言，具有先天的优势，但系统的能耗、实时性和可靠性等方面还亟需进一步提高。本文设计了一种基于ZigBee技术和GPRS技术的远程无线抄表系统，作为低功耗、低成本的无线传感技术，ZigBee网络可容纳65 000个节点[1?3]。在一个区域内可以同时存在多个ZigBee网络，该系统有效克服了以上几种抄表方式的缺陷，具有无需布线、功耗低、可靠性高、实时性强等优点。

1 远程抄表系统总体设计

抄表系统整体结构如图1所示，包括终端采集节点、路由节点、协调器节点以及中央监控计算机。

终端采集节点包括电能表和ZigBee终端节点，它们通过RS 485总线连接，当接收到抄表命令时，终端采集节点采集电能表数据，并将采集到的数据发送给路由节点，路由节点再把数据发送给协调器节点，由协调器节点通过GPRS网络把数据发送到中央监控计算机。中央监控计算机接收、处理并存储电表数据，对系统数据库进行管理，查看电表状态和用户用电记录等信息[4?5]。

2 硬件系统设计

2.1 终端采集节点设计

由于终端采集节点是用户设备，因此对价格十分敏感，而且ZigBee收发器要和电能表一起使用，对体积也有较高要求，因此这里选用高度整合的SOC芯片CC2530作为无线收发器和数据处理器[6]。CC2530是用于IEEE 802.15.4/ZigBee应用的一个真正的片上系统解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530片上系统的功能模块集成了高性能、低功耗的具有代码预取功能的8051微控制器内核、RF收发器、32 KB/64 KB/128 KB/256 KB FLASH、8 KB SRAM等高性能模块。还包含A/D转换器、定时器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、高级加密标准（AES）安全协处理器、USART、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O口。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统[7]。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗，可以满足节点低成本、低功耗和体积小的要求。为了进一步减小节点体积，设计中使用PCB无线收发天线。终端采集节点结构如图2所示，CC2530通过MAX485芯片和带有RS 485总线的电表连接[8]。当终端采集器接收到命令后，采集电能表中的数据，通过ZigBee无线网络把数据发射到路由节点。

2.2 路由节点设计

路由节点是基于CC2530设计的，主要负责维护一个路由表和一个路由发现表，参与数据包的转发、路由发现和路由维护，以及关联其他节点来扩展网络。通常由于实际应用中路由节点和协调器节点距离较远，因此选用CC2591射频放大集成电路对信号进行放大以拓展通信范围[9]，在发射信号时，增加信号强度，最大发射功率可达22 dBm，在接收信号时，能提高灵敏度6 dB，保证了数据传输可靠性和网络结构的稳定性。路由节点电路连接图如图3所示。将CC2591的HGM引脚接到高电平，是为了在接收时能获得高增益。

2.3 协调器节点设计

协调器节点是整个网络的主要控制者，负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等，它与中央监控计算机之间的通信采用GPRS方式，另外，为了方便系统的维护，协调器节点还需有USB通信接口，以方便手持式通信器的接入。因此选用CC2531F256作为协调器节点的主控芯片，该芯片拥有USB 2.0端口，1 KB FIFO RAM的双缓冲，256 KB闪存块。其余功能与CC2530类似。GPRS通信模块选用SIM300，该芯片是工业级手机模块，内部集成了TCP/IP协议栈，并且扩展了TCP/IP AT指令，支持1.8 V和3 V两种类型的SIM卡，使用户利用该模块开发数据传输设备变得非常简单方便，SIM300提供了两个不平衡异步操作串口，可以很方便地和CC2531F256进行连接，CC2530通过AT指令对SIM300进行操作。协调器节点结构如图4所示。

3 软件流程设计

3.1 终端采集节点和路由节点流程设计

终端采集节点主要功能是接收到数据采集命令后，采集电能表数据，并将数据发送到路由节点。路由节点的主要功能是转发数据包，根据它们的功能描述，设计程序流程如图5所示。

3.2 协调器节点流程设计

协调器节点程序流程图设计如图6所示。

协调器节点负责网络的建立和管理，当ZigBee协调器节点建立一个新网络时，首先扫描信道，寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。如果找到了合适的信道，ZigBee协调节点会为新网络选择一个PAN标识符，PAN标识符是用来标识整个网络的，因此所选的PAN标识符必须在信道中是惟一的。 一旦选定了PAN标识符，就说明已经建立了网络，之后如果另一个ZigBee协调节点扫描该信道，这个网络的协调节点就会响应并声明它的存在。另外，这个ZigBee协调节点还会为自己选择一个16 b网络地址。ZigBee网络中的所有节点都有一个64 b IEEE扩展地址和一个16 b网络地址[10]，其中，16 b的网络地址在整个网络中是惟一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。在协调器建立网络后，将处于低功耗等待状态，当有上行数据时，协调器产生中断接收数据，通过GPRS把数据发送到中央监控计算机。如果有下行数据或命令时，协调器产生中断，转发数据/命令或者执行命令。

4 结 语

本文基于近距离无线通信ZigBee技术和远距离无线通信GPRS技术设计了一种低成本、低功耗的远程集中抄表系统，该系统维护、安装方便，实现了对用户电能表数据信息高效、快速和可靠的远程采集，提高了抄表效率。便于供电中心管理和调度，实时掌握用户用电状态和信息。

参考文献

[1] 瞿雷，胡成斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2] 李明亮，蒙洋，康辉英.例说ZigBee[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3] 吴成东.智能无线传感器网络原理与应用[M].北京：科学出版社，2011.

[4] 陈博，徐建政，刘霄.新型微功率无线抄表系统[J].电力自动化设备，2011（2）：134?136.

[5] 高军建，唐国红.一种ZigBee电力无线抄表数据收发终端设计[J].现代电子技术，2011，34（5）：118?120.

[6] 李外云.CC2530与无线传感器网络操作系统TinyOS应用实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[7] 王小强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2013.

[8] 龙玉湘，章兢，戴瑜兴.基于ZigBee的无线抄表系统的集中器设计[J].低压电器，2007（20）：14?17.

[9] 周鑫，朱向东，于秀波.ZigBee远程无线抄表系统的设计[J].自动化仪表，2013（3）：31?33.

[10] 鲍卫兵，陈伟杰，朱向军.基于ZigBee的无线抄表系统的设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2013（2）：34?37.

2.3 协调器节点设计

协调器节点是整个网络的主要控制者，负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等，它与中央监控计算机之间的通信采用GPRS方式，另外，为了方便系统的维护，协调器节点还需有USB通信接口，以方便手持式通信器的接入。因此选用CC2531F256作为协调器节点的主控芯片，该芯片拥有USB 2.0端口，1 KB FIFO RAM的双缓冲，256 KB闪存块。其余功能与CC2530类似。GPRS通信模块选用SIM300，该芯片是工业级手机模块，内部集成了TCP/IP协议栈，并且扩展了TCP/IP AT指令，支持1.8 V和3 V两种类型的SIM卡，使用户利用该模块开发数据传输设备变得非常简单方便，SIM300提供了两个不平衡异步操作串口，可以很方便地和CC2531F256进行连接，CC2530通过AT指令对SIM300进行操作。协调器节点结构如图4所示。

3 软件流程设计

3.1 终端采集节点和路由节点流程设计

终端采集节点主要功能是接收到数据采集命令后，采集电能表数据，并将数据发送到路由节点。路由节点的主要功能是转发数据包，根据它们的功能描述，设计程序流程如图5所示。

3.2 协调器节点流程设计

协调器节点程序流程图设计如图6所示。

协调器节点负责网络的建立和管理，当ZigBee协调器节点建立一个新网络时，首先扫描信道，寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。如果找到了合适的信道，ZigBee协调节点会为新网络选择一个PAN标识符，PAN标识符是用来标识整个网络的，因此所选的PAN标识符必须在信道中是惟一的。 一旦选定了PAN标识符，就说明已经建立了网络，之后如果另一个ZigBee协调节点扫描该信道，这个网络的协调节点就会响应并声明它的存在。另外，这个ZigBee协调节点还会为自己选择一个16 b网络地址。ZigBee网络中的所有节点都有一个64 b IEEE扩展地址和一个16 b网络地址[10]，其中，16 b的网络地址在整个网络中是惟一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。在协调器建立网络后，将处于低功耗等待状态，当有上行数据时，协调器产生中断接收数据，通过GPRS把数据发送到中央监控计算机。如果有下行数据或命令时，协调器产生中断，转发数据/命令或者执行命令。

4 结 语

本文基于近距离无线通信ZigBee技术和远距离无线通信GPRS技术设计了一种低成本、低功耗的远程集中抄表系统，该系统维护、安装方便，实现了对用户电能表数据信息高效、快速和可靠的远程采集，提高了抄表效率。便于供电中心管理和调度，实时掌握用户用电状态和信息。

参考文献

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[9] 周鑫，朱向东，于秀波.ZigBee远程无线抄表系统的设计[J].自动化仪表，2013（3）：31?33.

[10] 鲍卫兵，陈伟杰，朱向军.基于ZigBee的无线抄表系统的设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2013（2）：34?37.

2.3 协调器节点设计

协调器节点是整个网络的主要控制者，负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等，它与中央监控计算机之间的通信采用GPRS方式，另外，为了方便系统的维护，协调器节点还需有USB通信接口，以方便手持式通信器的接入。因此选用CC2531F256作为协调器节点的主控芯片，该芯片拥有USB 2.0端口，1 KB FIFO RAM的双缓冲，256 KB闪存块。其余功能与CC2530类似。GPRS通信模块选用SIM300，该芯片是工业级手机模块，内部集成了TCP/IP协议栈，并且扩展了TCP/IP AT指令，支持1.8 V和3 V两种类型的SIM卡，使用户利用该模块开发数据传输设备变得非常简单方便，SIM300提供了两个不平衡异步操作串口，可以很方便地和CC2531F256进行连接，CC2530通过AT指令对SIM300进行操作。协调器节点结构如图4所示。

3 软件流程设计

3.1 终端采集节点和路由节点流程设计

终端采集节点主要功能是接收到数据采集命令后，采集电能表数据，并将数据发送到路由节点。路由节点的主要功能是转发数据包，根据它们的功能描述，设计程序流程如图5所示。

3.2 协调器节点流程设计

协调器节点程序流程图设计如图6所示。

协调器节点负责网络的建立和管理，当ZigBee协调器节点建立一个新网络时，首先扫描信道，寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。如果找到了合适的信道，ZigBee协调节点会为新网络选择一个PAN标识符，PAN标识符是用来标识整个网络的，因此所选的PAN标识符必须在信道中是惟一的。 一旦选定了PAN标识符，就说明已经建立了网络，之后如果另一个ZigBee协调节点扫描该信道，这个网络的协调节点就会响应并声明它的存在。另外，这个ZigBee协调节点还会为自己选择一个16 b网络地址。ZigBee网络中的所有节点都有一个64 b IEEE扩展地址和一个16 b网络地址[10]，其中，16 b的网络地址在整个网络中是惟一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。在协调器建立网络后，将处于低功耗等待状态，当有上行数据时，协调器产生中断接收数据，通过GPRS把数据发送到中央监控计算机。如果有下行数据或命令时，协调器产生中断，转发数据/命令或者执行命令。

4 结 语

本文基于近距离无线通信ZigBee技术和远距离无线通信GPRS技术设计了一种低成本、低功耗的远程集中抄表系统，该系统维护、安装方便，实现了对用户电能表数据信息高效、快速和可靠的远程采集，提高了抄表效率。便于供电中心管理和调度，实时掌握用户用电状态和信息。

参考文献

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