基于ZigBee的户用水表无线远程抄表系统

2020-06-24左瑞娟武永华王宇张涛

物联网技术 2020年6期

左瑞娟武永华王宇张涛

摘要：针对传统的抄表系统成本高、功耗大、效率低下等问题，设计一种基于ZigBee和GPRS相结合的户用水表无线抄表系统。在户用水表小区内采用ZigBee无线传感器通信技术，在户用水表小区外采用GPRS远程通信技术。该系统具有低功耗、低成本、抗干扰能力强、自组网和自适应等特点，且具有较强的移植性和兼容性。

关键词：ZigBee;GPRS;自组网;无线传感器;远程抄表;水表抄表

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）06-00-03

0 引言

近年来，随着计算机技术、网络技术和微电子技术的迅猛发展，越来越多的新技术应用于自动抄表系统，特别是无线低功耗传输技术的发展。近年来发展起来的无线抄表系统，工作效率高、数据抄收准确和实时性强、安装方便以及无需入户抄表等优点逐步成为抄表系统的主要发展趋势。主要的无线传输方式有红外、蓝牙[1]、GPRS[2]和ZigBee[3]。由于无线抄表网络具有节点数目多、数据流量小以及实时性强等特点，因此在选择无线通信技术时必须要考虑成本、功耗以及网络的可扩展性等因素。与其他几种无线通信技术相比，ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的免频段使用费、低速率、短距离传输的无线通信技术，其突出优点是近距离、低功耗和低成本，并且具有较高的可靠性、安全性和自组织能力，支持超大网络容量。

本文设计一种基于ZigBee芯片CC2530[4]的无线抄表系统方案，兼具分布式和集中式的特点，可以完成各个水表单元数据定时采集和单播、组播和广播等多种集抄方式。该无线抄表系统由水表集抄中心、ZigBee网络、GPRS网络和智能水表构成，形成数据采集层、数据传输层、水表监控管理层三层分布式结构。

1 户用水表无线远程抄表系统总体方案设计

图1为三层分布式无线抄表系统结构图。数据采集层的采集器通过RS 485[5]或者红外实现对户用水表的数据及其他表具信息的采集。为降低功耗，采集器采用呼吸方式进行工作。数据传输层中继器负责对收集到的各个采集器水表信息进行转发，最终汇总至集中器。集中器完成ZigBee网络和GPRS网络数据的转换，收集到中继器转发的信息进行汇总并通过GPRS公网将数据传输到水表集抄中心。整个抄表系统的下行链路和上行链路基本类似。

2 采集器软硬件设计

数据采集器在无线抄表系统中上行和中继器通信，下行和户用水表通信。采集器可以采集多个智能户用水表数据，它把数据上行传给数据中继器，并从数据中继器接收数据和指令下发给智能户用水表，硬件设计框图如图2

所示。采集器ZigBee无线网络采用TI公司推出的高性能、低功耗芯片CC2530。该芯片符合IEEE 802.15.4标准的

2.4 GHz射频收发器，以及增强型的8051MCU，8 KB RAM 和256 KB FLASH。采集器通过红外和RS 485采集户用水表的水务信息，并通过CC2591射频模块发送给中继器。采集器通过CC2591射频放大集成电路对信号进行放大以拓展通信范围。

采集器软件流程设计如图3所示。采集器主要是定时进行水表数据采集，并将水表数据通过CC2591发送到中继器，同时接收中继器的命令，并执行。

3 中继器软硬件设计

中继器节点负责ZigBee网络中节点之间的路由建立和维护，是数据采集器和集中器之间的数据转发装置，把数据采集器中要上传的数据转给集中器，同时把集中器发出的控制指令转给采集器，在一定区域范围安置一个中继器，就可以保证信号覆盖整个网络。中继器节点主要由CC2530芯片和CC2591射频前端和电池模块组成，关键部分电路如图4所示。CC2591射频前端扩充了网络的无线应用距离。

中继器软件流程设计如图5所示。其主要进行集中器和采集器之间的数据和命令转发。

4 集中器软硬件设计

集中器是ZigBee网络中一定区域范围内所有数据的汇总器。无线抄表系统的一个小区只有一个集中器，理论上可以连接1 000个智能水表。集中器收集中继器转发过来的水表信息并存储，最多可以存储1年的数据。定时通过GPRS模块将数据发送给集抄中心，通过接收集抄中心的命令，并转发给数据采集器。集中器主要由CC2530，CC2591，PIC24[6]单片机，GPRS模块，数据存储器等构成。系统框图如图6所示。

TI的CC2530本身发射功率小，为了满足实际应用要求，扩大网络覆盖范围，本文在CC2530芯片的基础上增加射频前端芯片CC2591，用来放大输出功率。CC2591是TI一款高性能、低功耗的射频前端芯片，加上CC2591[7]，ZigBee网络通信距离可达600 m以上。

PIC单片机采用Microchip[8]公司的PIC24FJ128GA308芯片，该芯片采用16位的改进型哈佛架构，最高运行速度可达32 MHz。芯片自带128 KB闪存，8 KB SRAM，RTCC，2个SPI模块，4个UART模块，32位CRC发生器，24通道A/D转换器，深度休眠的超低功耗电流消耗。

GPRS模块采用上海移远通信技术有限公司的M35四频 GSM/GPRS模块。待机电流低至0.9 mA，内嵌网络服务协议栈，支持多个IP地址。单片机通过AT命令完成对M35模块的控制，M35模块基于TCP/IP协议把水表走量数据传输到监控中心。

数据FLASH采用Atmel公司的AT45DB3211D串行接口闪存芯片。存储空间为4 MB，SPI接口，速度可达66 MHz。数据FLASH接口原理图如图7所示。

集中器软件流程设计如图8所示。其主要是负责ZigBee网络的建立和管理，建立网络后，处于低功耗休眠模式。上传时间到，则集中器通过中继器获得采集器水表信息，通过GPRS网络把数据传输到水表集抄中心，如果下行有命令和数据时，集中接收此命令和数据，并下发给采集器。

5 结语

本文提出并设计一种基于ZigBee的户用水表无线远程抄表系统。该系统采用三层分布式结构，具有较好的市场应用价值，不仅降低了抄表工作的成本，而且克服了人工抄表的不确定性，随时可以对水表节点情况监管并即时发现问题和解决问题，给用户和企业带来了便利和效益。

注：本文通讯作者为武永华。

参考文献

[1]柳兰.基于蓝牙技术和ARM的无线抄表系统[J].信息与电子工程，2010（3）：353-356.

[2]张祥，朱琳，刘立轩，等.GPRS技术在农村自来水远程遥测遥控系统中的应用[J].自动化仪表，2016，37（5）：59-63.

[3]宁菲菲，赵伟艇.基于ZigBee的社区无线抄表系统设计[J].计算机与数字工程，2014，42（9）：1725-1728.

[4]黄璟，崔秋丽.基于ZigBee和3G/4G的远程无线抄表系统设计[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2015，14（3）：7-11.

[5]王传军，杜海强，韩利明，等.基于RS485和LAN的远程抄表系统的应用 [J].科技创新与应用，2011（24）：36.