基于ZigBee和GPRS的遠程抄表系統設計

摘要：針對當前傳統抄表效率低、成本高、勞動(dòng)強度大等問(wèn)題，提出了一種無(wú)線(xiàn)遠程抄表方案。結合ZigBee無(wú)線(xiàn)短距離通信技術(shù)和GPRS技術(shù)設計了一套抄表系統，該系統廣域網(wǎng)采用GPRS技術(shù)通信，局域網(wǎng)采用ZigBee無(wú)線(xiàn)短距離通信，該系統具有能耗低、穩定性強、成本低、通信安全可靠等特點(diǎn)。經(jīng)現場(chǎng)試驗測試，該系統能夠完成數據采集、傳輸，抄表成功率高，同時(shí)該系統在醫療、環(huán)境監測等領(lǐng)域應用前景廣闊。

0 引言

隨著(zhù)我國電力企業(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)越現代化、智能化，而抄表作為電力行業(yè)的基礎業(yè)務(wù)，抄表工作的好壞、抄表速度的快慢直接影響著(zhù)電力工作的優(yōu)劣?，F如今傳統的抄表方式由于效率低、成本高、勞動(dòng)強度大等問(wèn)題，已無(wú)法滿(mǎn)足現代社會(huì )的需求。為此提出了一套先進(jìn)的遠程無(wú)線(xiàn)抄表系統，

此系統主要是將ZigBee技術(shù)和GPRS網(wǎng)絡(luò )結合在一起，來(lái)實(shí)現遠程終端對用戶(hù)電表的控制。

1 系統總體設計

系統總體設計如圖1所示?；赯igBee和GPRS的遠程抄表系統主要有三部分組成。

1.1 數據采集傳輸端

數據采集傳輸端主要由采集器和集中器組成，數據傳輸端是通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)通信。ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低復雜度的無(wú)線(xiàn)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、通信可靠等特點(diǎn)。數據采集傳輸端主要負責用戶(hù)電表數據的采集和采集數據的轉發(fā)，使數據順利傳輸到協(xié)調器。

1.2 協(xié)調器和GPRS網(wǎng)絡(luò )

協(xié)調器是整個(gè)系統的中間節點(diǎn)，負責ZigBee網(wǎng)絡(luò )的組建并且將ZigBee網(wǎng)絡(luò )采集到的數據通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )傳輸到監測中心。GPRS網(wǎng)絡(luò )是遠程無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，具有傳輸數據大、實(shí)時(shí)在線(xiàn)、頻率利用率高、傳輸可靠等特點(diǎn)。

1.3 監測中心

監測中心由監測設備和數據庫服務(wù)器組成，監測設備接收協(xié)調器發(fā)來(lái)的數據，同時(shí)可以向協(xié)調器發(fā)送需求。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集傳輸端硬件設計

數據采集傳輸端主要負責電表數據的采集以及發(fā)送。采集器負責電表數據采集，集中器起到承上啟下的作用，一方面是負責將采集器采集的數據順利傳送給協(xié)調器，另一方面是負責傳達協(xié)調器下達的命令。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(xiàn)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芯片是因為CC2430在ZigBee技術(shù)應用中的優(yōu)勢，CC2430是chipcon公司研究推出的、用來(lái)實(shí)現嵌入式的片上系統，CC2430芯片具有高性能、低能耗、抗干擾能力強等特點(diǎn)，CC2430芯片上整合了ZigBee射頻前端、內存和微控制器，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)調器節點(diǎn)硬件設計

協(xié)調器由ZigBee無(wú)線(xiàn)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、數據存儲模塊8部分組成，具體結構如圖2所示。

協(xié)調器模塊也采用電源供電。ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊主要用于數據通信，其設計和集中器一樣。處理器模塊用于數據處理和遠程操作功能的實(shí)現，其主控芯片選用美國德州儀器的MSP430F系列，MSP430F系列是一種具有功耗低、功能強、性能好等技術(shù)特點(diǎn)的16位單片機，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系列相適應的C430語(yǔ)言與標準的C語(yǔ)言兼容性好。處理器模塊和ZigBee模塊采用SPI總線(xiàn)通信，與GPRS模塊采用RS232串口通信。GPRS模塊用于協(xié)調器和遠程終端通信，GPRS模塊采用SSIM900無(wú)線(xiàn)通信模塊，該模塊是有Simcom公司生產(chǎn)的，具有射頻天線(xiàn)，支持GSM/GPRS通信，并且還有本地SIM卡連接等。LCD模塊是用戶(hù)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )交互的界面，用來(lái)顯示菜單功能，數據存儲模塊用于對采集到數據的存儲。

3 系統軟件設計

本系統主要是結合ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)來(lái)完成設計，系統具備的功能主要是協(xié)調器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò )、采集器定時(shí)自動(dòng)抄表、遠程終端命令控制以及遠程自動(dòng)抄表等?；谝陨瞎δ?，系統的軟件設計主要分為兩部分：協(xié)調器節點(diǎn)軟件設計和采集器節點(diǎn)軟件設計。

3.1 協(xié)調器節點(diǎn)軟件設計

協(xié)調器是整個(gè)系統的網(wǎng)關(guān)，并且還是ZigBee網(wǎng)絡(luò )和遠程終端的橋梁，能通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )實(shí)現ZigBee網(wǎng)絡(luò )和遠程終端的交互。協(xié)調器節點(diǎn)的功能主要有兩部分，一是ZigBee網(wǎng)絡(luò )的組建，對其組建的網(wǎng)絡(luò )中的其他節點(diǎn)進(jìn)行管理，并且向采集器節點(diǎn)發(fā)送采集信息，將采集的數據信息儲存，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)調器節點(diǎn)在需要采集數據信息時(shí)，首先應該向采集器節點(diǎn)發(fā)送激活碼，激活采集器節點(diǎn);二是接受遠程終端命令，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )和遠程終端建立連接，將采集的數據信息定時(shí)發(fā)送給遠程終端，并且實(shí)時(shí)等待接收遠程終端發(fā)來(lái)的命令，為保證GPRS模塊和遠程終端有效連接，單片機需要通過(guò)GPRS模塊向遠程終端發(fā)送握手信號，在握手失敗時(shí)再次發(fā)送建立連接。

3.2 采集器節點(diǎn)軟件設計

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)記錄電表中的數據;二是定時(shí)監聽(tīng)系統中協(xié)調器是否發(fā)來(lái)激活碼及網(wǎng)絡(luò )信號。采集器作為休眠節點(diǎn)，除了設定的定時(shí)抄表時(shí)間和接收協(xié)調器發(fā)來(lái)網(wǎng)絡(luò )信息及向協(xié)調器節點(diǎn)發(fā)送數據信息時(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)。采集器節點(diǎn)的軟件流程圖如圖4所示。

4 系統測試

系統測試主要分為兩部分：節點(diǎn)與節點(diǎn)之間通信的測試和遠程抄表成功率的測試。1)節點(diǎn)測試，本系統選取曲阜師范大學(xué)教師公寓30臺電表進(jìn)行測試，部署1個(gè)協(xié)調器節點(diǎn)、3個(gè)集中器節點(diǎn)、30個(gè)采集器節點(diǎn)，節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)信號發(fā)射功率設置為17dBm，節點(diǎn)在空曠的空間通信距離可達150m，經(jīng)測試，節點(diǎn)通信在樓宇建筑物中可以穿越樓板，并且通信結果受天氣影響不大，系統的魯棒性較強。2)抄表成功率測試，系統定時(shí)每月抄表3次，經(jīng)測試及對測試結果分析，系統一次抄表的成功率為98.7%，二次、三次抄表成功率為100%。測試結果表明，本系統安全可靠、通信可靠、抗干擾性強、功耗低、成功率高、維護方便，既方便了用戶(hù)，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 結論

本文利用當前比較先進(jìn)的ZigBee無(wú)線(xiàn)短距離通信技術(shù)和GPRS技術(shù)相結合設計出了一種實(shí)用的無(wú)線(xiàn)遠程抄表系統，本系統具有能耗低、穩定性強、通信安全可靠、魯棒性強、搭建靈活、運營(yíng)成本低等特點(diǎn)，可以說(shuō)是與當前電力系統實(shí)際相結合的產(chǎn)物。實(shí)際應用中，系統無(wú)線(xiàn)抄表成功率高，系統維護簡(jiǎn)單，完全可以取代人工抄表。同時(shí)本系統可移植

性較強，不僅在抄表方面應用前景廣闊，在醫療、環(huán)境監測等領(lǐng)域也具有很強的市場(chǎng)應用價(jià)值。