基于ZigBee的无线抄表系统.doc

1、1基于 ZigBee 的无线抄表系统摘要：ZigBee 是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通讯技术，具有广泛的应用前景。本文基于 ZigBee 技术，分析了无线抄表系统的技术要求，提出并设计了一套合理完善的无线抄表系统。 关键词：ZigBee 无线抄表 通讯 ABSTRACT：ZigBee is a wireless communication technology of low data rate,low power consumption,security and reliability,and has wide applications.This paper i

2、s based on the ZigBee , analyzes the technical requirements of the wireless meter reading system, proposed and designed a set of reasonable wireless meter reading system. Keywords：ZigBee, Wireless meter reading, communication 中图分类号： TN92 文献标识码： A 文章编号： 1 绪论 1.1 引言 随着测量技术的飞速发展，人们生活、家居条件的智能化水平越来越高，将室内

3、户用计量仪表中数据自动抄收已逐渐成为人们追求的目标。水、电、气、热等公共事业管理部门也希望新技术的应用能解决长期困扰他们的抄表难、收费难等问题，从而实现节省人力、减少企业流动资2金占用、方便用户及提高管理水平的目的。 各类有线远程抄表系统由于长距离室内外的布线，存在着短路、断线隐患，错综复杂的线路使系统调试维护困难重重，而且停电时间超过备用电池所负担时间情况下，系统计数不可避免地与机械表头读数出现误差。无线抄表在发达国家和地区早已盛行。 2004-06-01 实施的建设行业标准户用计量仪表数据传输条件(CJ/T 188-2004)中规定了户用计量仪表数据传输的基本原理、接口形式及物理性能、数据

4、链路、数据标识及数据安全性和表达格式的要求,有关内容见参考文献 123。 无线抄表4是指采用近距离无线通信和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据。即每只表将状态及使用信息以无线的形式传至室外的数据采集器。用无线自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性、实时性，使管理部门能及时准确获得数据信息。它具有如下特点： 无需架设电缆，节省了人力物力，投资是相当节省的。 无线的方式可迅速建起通信链路，工程周期大大缩短。 相比有线系统有更好的扩展性。 出现故障时，只需维护无线数据模块，能快速找出原因，恢复系统正常运行。 1.2 远程自动抄表系统发展现状 远程抄表系统的发展已有十多年了

5、，在仪表终端的数据采集的部分和当仪表数据已经传输到管理中心进行处理这两部分已经发展得比较成熟，远程抄表系统的应用瓶颈在于底层的通讯方案，即把各个仪表的数3据传送到处理终端的这个过程。现阶段，我国许多已经开发的自动抄表系统由于数据传输不可靠、安装使用成本较高等原因在市场上并没有得到广泛的应用，导致目前市场上大部分供电企业仍然采用人工抄表方式。在我国已经主要应用的远程电抄表系统中，按底层通讯方式的不同可以分为以下几种：(1)通过电力线载波通讯的方式来实现远程抄表；(2)通过 RS485 有线通讯网来实现远程抄表；(3)通过 GPRS 无线通讯网来实现远程电抄表；(4)通过 ZIGBEE 无线通讯网

6、来实现远程电抄表。 ZIGBEE 是近年来出现的面向低成本无线组网的技术，它是一种近距离、低成本、低功耗、低速率的双向无线通讯技术。支持 ZIGBEE 协议的RF 模块硬件价格可以控制在 50 元以下，RF 芯片的平均工作电流仅有 10多毫安，它的功耗还小于 8 位单片机。ZIGBEE 无线网络所表现出来的低成本、低功耗的特点使得它自动电抄表系统的市场上有着强大的竞争力，很多主流的电表生产厂商都把 ZIGBEE 作为未来无线远程自动电抄表系统的发展方向，对 ZIGBEE 协议的 RF 硬件提供支持的 freescale 和 TI 两家公司也在致力于 ZIGBEE 协议栈的开发，由于 ZIGBE

7、E 协议要求用软件来实现带时隙的 CSMA 算法，整个系统的构建对时序要求及其苛刻，因此自从 2002 年 ZIGBEE 技术出来之后，还没有一家公司能够推出实现完整ZIGBEE 协议的产品。 2 系统总体设计 2.1 技术要求 无线抄表系统对无线通讯数据的传输和保存有着很高的要求，即要求设计的自动无线远程抄表应该具有计算准确、通讯可靠、抄表方便、4功耗低等远程抄表系统的优点，以及节省人力、远程监控、远程维护的功能。归纳起来，抄表终端必须解决以下几个方面的技术要求： 供电抄表系统的终端采用 5 号电池供电，因此必须严格控制系统的功耗； 成本无论是家庭用户，还是企业用户，抄表终端的成本始终是不可

8、避免的问题。这里的成本包括一次性改造或安装的成本和系统的运行成本； 通讯可靠性这是自动无线抄表系统的最基本要求，但同时也是系统的难点所在； 无线网络的自组织、自愈功能。 2.2 系统方案 根据以上分析的技术要求，设计了系统方案。 2.2.1 通讯协议的选取 选择适合通讯协议作为自动抄表系统无线通讯信道的协议是设计的第一步。在实际应用中，我们选择了将 ZigBee 技术和 GPRS/CDMA 结合起来，根据抄表用户的不同分布，灵活的构建抄表系统的网络拓扑，如图2-1 所示。 图 2-1 系统网络拓扑图 对于每个抄表终端而言，对低成本，低功耗的要求比较高，而对数据的传输速率要求不高，相对于蓝牙，G

9、PS 等已经比较成熟的底层通讯协5议，Zigbee 具有低速率、网络可容纳的节点数多、低成本、低功耗的特点，从其主要特点来看是完全适合自动抄表系统的需要，因此本设计采用 Zigbee 协议作为底层通讯协议。 终端采集的数据需要送到集抄管理中心，这可以通过 GPRS/CDMA 网络来实现，它无距离限制，几乎不需要维修。 采用 MESH 网状网络结构，保证数据传输的可靠性； 每栋单元楼设置一个 ZigBee 远端节点； 一个小区设置一个 ZigBee 中心节点； ZigBee 中心节点数据通过 GPRS/CDMA 或 ADSL 上传到集抄中心。 2.2.2 硬件平台 按照自动电抄表系统的设计，系统

10、的硬件按功能分可由两部分组成，一部分为用户表终端，该部分的主要作用是获得该用户的仪表数据，并把该表信息通过 ZIGBEE 网络传输到表数据采集终端。另一部分是仪表数据采集终端，它在仪表组成的 ZIGBEE 网络中相当于一个协调器的作用。该部分的功能是通过 ZIGBEE 网络获得该网络中所有仪表的信息，并将该信息通过串口传送到管理中心。 在本项目中为了方便观测仪表数据采集是否正确，使用了 PC 机来模拟管理中心，将仪表数据采集终端串口与 PC 机串口相连，通过串口调试工具来直观的观测每个仪表的信息。整个系统的整体设计如图 2-2 所示。 6从系统的整体设计可以得出，设计仪表数据采集终端需要以下硬

11、件部分： (1)用户仪表的计数部分，它可以将用户所用的能量以脉冲的方式传输给计量单元。这一部分在原来的电子式仪表上已经比较成熟，无须再改动； (2)仪表数据采集终端的整体控制单元即 MCU； (3)LCD 显示芯片，显示当前用户的信息； (4)支持 ZIGBEE 协议的 RF 硬件。 2.2.3 软件结构设计 本项目软件分 4 部分组成，硬件定义文件、硬件驱动文件、SMAC 协议栈和 网络层文件，整体结构如图 4-1 所示。 图 4-1 系统软件结构示意图 3 结论 Zigbee 作为最近新出现的无线通信技术，以其协议简单、成本低、功能小、组网容易等特点，在智能家居、楼宇自动化、工业监控领域具

12、有广阔的市场空间。也是目前最适合应用于无线自动抄表系统的短距离无线通信技术。应该说，通过现阶段试验及理论研究，得出如下结论：目前，有多种短距离无线传输技术，应用广泛。Zigbee 作为一个最新出现的无线通信技术，以其协议简单、成本低、功能比较丰富、组网容易7等特点，适合应用于无线自动抄表系统的短距离无线通讯。基于 ZigBee技术的无线抄表系统不仅能节约人力成本，还可提高抄表的准确性、实时性，使管理部门能及时准确地获得数据信息。 参考文献: 1中华人民共和国建设部.CJ/T.188-2004.户用计量仪表数据传输技术条件.北京.计量出版社.2004.5-11 2中华人民共和国建设部.JG/T.162-2004.住宅远传抄表系统,第 1部分,数据专线传输.北京.计量出版社.2004.3-8 3中华人民共和国建设部.CJ/T.112-2000.IC 卡家用膜式燃气表.北京.计量出版社.2000.7-15 4蒋泰，蒋利.基于 Zigbee 技术的低成本无线数传系统的实现J.广西大学学报(自然科学版)，2005（4）332-336