摘 要： 針對傳統(tǒng)抄表技術(shù)中存在的一些問題，設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)。將CC2430芯片與微控制系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)無線遠(yuǎn)程三表控制和對流量數(shù)據(jù)的讀取，結(jié)合ZigBee特點和系統(tǒng)各部分的功能，建立了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞： ZigBee；CC2430；抄表系統(tǒng)
隨著供水部門、供電部門、供氣部門對“一戶一表”工程改造的推進(jìn)，以及對自動化的要求，遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)已成為水、電、氣自動化管理和智能化控制不可缺少的組成部分。采用遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)可以杜絕人工抄表產(chǎn)生的誤抄、漏抄、估抄等人為錯誤，還可以提高工作效率、減輕勞動強度、減員增效，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到收費單的打印都自動完成。因此，實現(xiàn)三表數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程自動抄送，具有十分重要的現(xiàn)實意義[1]。
ZigBee是2004年底通過的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，是一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本且數(shù)據(jù)可靠性高的雙向無線通信技術(shù)，主要用于自動、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。ZigBee依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在節(jié)點間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信[2]。它可由多到65 000個無線模塊組成1個無線網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m到擴展后的幾百米，甚至幾千米。無線數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)76.8 Kb/s。本系統(tǒng)主要由前端智能表(水表、電表、氣表)、數(shù)據(jù)集中收發(fā)器、遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)接收處理中心等構(gòu)成，采用ZigBee無線網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)采集，將采集后的數(shù)據(jù)傳送到物業(yè)中心。
1 ZigBee技術(shù)
1.1 ZigBee的特點
ZigBee技術(shù)采用直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)，主要工作在無需注冊的2.4 GHz頻段。當(dāng)前比較流行的幾種無線技術(shù)的特點如表1所示。
由表1中可以看出ZigBee的主要特點：低功耗；低成本；時延短；網(wǎng)絡(luò)容量大；安全可靠。尤其是ZigBee的低功耗是其他無線設(shè)備望塵莫及的，因為ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW，而且采用了休眠模式。據(jù)測算，ZigBee設(shè)備僅依靠2節(jié)5號電池就可以維持長達(dá)6個月到2年左右的使用時間。
1.2 ZigBee通信協(xié)議框架及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>
ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為全功能設(shè)備(FFD)和簡化功能設(shè)備(RFD)2種[3]，其中，F(xiàn)FD設(shè)備也可作為協(xié)調(diào)器(Coordinator)使用。FFD是具有路由與中繼功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點， 可以與RFD 節(jié)點通信也可以與別的FFD節(jié)點通信；RFD節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點，相互間不能直接通信，只能通過FFD節(jié)點發(fā)送和接收信息，不具有路由和中繼功能。RFD和FFD的硬件結(jié)構(gòu)完全相同，只是網(wǎng)絡(luò)層不一樣；協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)組織者，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建和信息路由。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星型網(wǎng)(Star)、集群樹狀網(wǎng)(Cluster)和網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)3種拓?fù)鋄4]。其中，星型網(wǎng)由1個協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點組成，終端節(jié)點通過協(xié)調(diào)器實現(xiàn)彼此間的通信；集群樹狀網(wǎng)是由1個協(xié)調(diào)器組織的多個星型網(wǎng)，擴大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點不但可以接入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點，也可任意接入具有路由功能的FFD節(jié)點，但具有路由功能的FFD節(jié)點相互之間不能直接通信，只能通過協(xié)調(diào)器節(jié)點的路由功能完成相互間的通信。網(wǎng)狀網(wǎng)是一種高可靠性的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，與集群樹狀網(wǎng)不同的是具有路由功能的FFD節(jié)點相互間可以直接路由信息，所以網(wǎng)狀網(wǎng)通過自組織和無線路由功能可提供多個數(shù)據(jù)通信路徑。當(dāng)最優(yōu)的通信路徑發(fā)生故障時，網(wǎng)狀網(wǎng)會在冗余的其他路徑中選擇最合適的路徑供數(shù)據(jù)通信，因此，網(wǎng)狀網(wǎng)有效縮短了信息傳輸時延并提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。
2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
2.1 方案論證
我國在20世紀(jì)80年代初開始研究遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)。目前對于無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計方案主要有以下幾種：(1)完全基于GPRS技術(shù)實現(xiàn)，但這種方案設(shè)計成本較高；(2)掌上機抄表方案只能實現(xiàn)半自動化，不能實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，效率還是不高；(3)低壓電力線載波抄表方案易受外界干擾，抗干擾性較差；(4)采用電話線和調(diào)制解調(diào)器傳送數(shù)據(jù)和控制信號的方案，其維護(hù)成本高，擴展性能差，且MODEM長時間帶電，易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況；(5)運用藍(lán)牙方式，由表1可以看出，抄表系統(tǒng)中ZigBee技術(shù)要遠(yuǎn)優(yōu)于藍(lán)牙。綜上所述，運用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)是首選。
2.2 系統(tǒng)組成
通常小區(qū)中使用星型網(wǎng)絡(luò)即可形成一個由中心節(jié)點和終端智能表組成的抄表系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)。但考慮到小區(qū)中有部分智能表距離中心節(jié)點較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸可靠性低，因此，采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。即在距中心節(jié)點較遠(yuǎn)的單元樓中設(shè)置1個數(shù)據(jù)采集點，起到數(shù)據(jù)上傳下送的功能，且數(shù)據(jù)采集點之間可以互相通信。
因此，遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)解決方案從系統(tǒng)構(gòu)架上基本分為前端智能表、數(shù)據(jù)集中收發(fā)器和遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)接收處理中心3部分：
(1)前端智能表：包括水表、電表、燃?xì)獗淼龋⑶揖哂袛?shù)據(jù)采集、存儲、接收指令和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能?？蓪τ嬃繉ο筮M(jìn)行計量、存儲數(shù)據(jù)和接收中心節(jié)點發(fā)送的指令并按照指令的要求完成相應(yīng)的動作。
(2)數(shù)據(jù)集中收發(fā)器：在每個樓層都安裝數(shù)據(jù)集中收發(fā)器，它是遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中關(guān)鍵的一環(huán)。它完成數(shù)據(jù)上傳下送的中繼作用，可將中心節(jié)點發(fā)出的命令轉(zhuǎn)發(fā)給終端智能表、接收終端智能表返回的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給中心節(jié)點，具有存儲轉(zhuǎn)發(fā)的功能。
(3)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)接收處理中心：該中心具有建立、協(xié)調(diào)、配置整個網(wǎng)絡(luò)的功能?？稍O(shè)置定期向終端智能表發(fā)送數(shù)據(jù)采集請求、接收數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)集中收發(fā)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，其功能更像一個控制平臺，通過它可以及時了解到用戶用電、用水等情況。
系統(tǒng)基本原理框圖如圖1所示：
2.3 系統(tǒng)設(shè)計
2.3.1 前端智能表
智能表主要由傳感器、信號處理電路、MCU、ZigBee模塊、電源部分等組成，其中MCU通過傳感器、相應(yīng)的信號處理電路，對計量對象的脈沖信號進(jìn)行采集、處理并存儲。本設(shè)計中使用CC2430芯片完成數(shù)據(jù)處理和傳輸功能，即MCU和ZigBee模塊的功能，其它部分功能可由現(xiàn)有的脈沖表技術(shù)實現(xiàn)。智能表組成框圖如圖2所示。下面簡要介紹CC2430芯片。
CC2430芯片在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU，具有128 Kb可編程閃存和8 Kb的RAM，還包含ADC、4個Timer、AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路和21個可編程I/O引腳。
CC2430芯片只需要極少的外圍元器件，其外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻I/O匹配電路2個部分。芯片本振信號既可由外部有源晶振提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。射頻I/O匹配電路主要用來匹配芯片的I/O阻抗。
CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430芯片的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用場合。
2.3.2 數(shù)據(jù)集中收發(fā)器
數(shù)據(jù)采集點在無線通信網(wǎng)絡(luò)中主要充當(dāng)中繼器，將中心節(jié)點發(fā)送的指令轉(zhuǎn)發(fā)給終端智能表，或?qū)⒔K端智能表的數(shù)據(jù)上傳給中心節(jié)點，從而使網(wǎng)絡(luò)具有延伸性，傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)。通信時，數(shù)據(jù)采集點對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并判斷地址包含在自己的路由表中時，則為接收的數(shù)據(jù)選擇最佳路徑，并轉(zhuǎn)發(fā)出去。路由算法采用AODV，這些功能可通過ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)[5]。
數(shù)據(jù)采集點主要由ZigBee模塊、微控制器、存儲模塊等部分組成[6]。ZigBee模塊仍采用CC2430芯片。數(shù)據(jù)采集點需要先存儲接收的數(shù)據(jù)，再選擇路徑將數(shù)據(jù)發(fā)出去，需要足夠的存儲單元。在微控制器的選擇上，可供選用的單片機種類較多，本設(shè)計選擇納瓦技術(shù)單片機PIC18LF4620作為核心處理器，在空閑和休眠狀態(tài)下，可以使系統(tǒng)功耗降到最低。PIC18LF4620和CC2430的接口電路圖如圖3所示，接口簡單且外圍器件少，簡化了硬件調(diào)試的難度，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2.3.3 控制中心
數(shù)據(jù)中心節(jié)點是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)啟動、配置、協(xié)調(diào)整個ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)以及整個小區(qū)與抄表中心的數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)中，中心節(jié)點又相當(dāng)于一個接入點，需要進(jìn)行ZigBee無線網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換?？偟膩碚f，中心節(jié)點是負(fù)責(zé)終端智能表的管理及協(xié)調(diào)ZigBee無線網(wǎng)與其它網(wǎng)絡(luò)之間通信的關(guān)鍵部件。中心節(jié)點主要由ZigBee模塊、32位的嵌入式微處理器、存儲模塊及外圍部分等組成，如圖4所示。
中心節(jié)點定期查詢、自動抄寫各智能表的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存在存儲器中，供抄表中心定期讀取。因此， 中心節(jié)點需要較大容量的存儲器，一般需外擴存儲器。
對ZigBee設(shè)備性能評估，主要測試它的發(fā)射功率、頻譜的相位噪聲、臨近信道干擾和通信距離。在空氣環(huán)境中測試，距離150 m時通信的誤碼率可小于1%。系統(tǒng)在發(fā)射狀態(tài)下耗電為23.7 mA，接收時為21.78 mA，休眠狀態(tài)下僅為2.5 μA。實驗結(jié)果證明，本文所介紹的基于CC2430芯片收發(fā)器的系統(tǒng)具有容錯性高、性能優(yōu)越和超低功耗等特點，各項性能指標(biāo)還可進(jìn)一步提升。
無線抄表系統(tǒng)是我國目前領(lǐng)先的無線智能抄表系統(tǒng)，它將是我國智能集中抄表未來的發(fā)展方向，無線抄表系統(tǒng)采集計數(shù)工作單元均裝配在表內(nèi)并密封，表的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲等基礎(chǔ)工作全由表本身完成。另外，因為表引出的無線通、斷不影響單表數(shù)據(jù)采集和保存(僅影響本表數(shù)據(jù)的讀出)，也不影響其他表數(shù)據(jù)的讀出，即使本次讀數(shù)時該表出現(xiàn)故障，只需重新發(fā)射數(shù)據(jù)，無需重新置數(shù)，表的真實讀數(shù)仍可繼續(xù)讀出，其安全性、穩(wěn)定性是比較可靠的。
隨著各大廠商對ZigBee技術(shù)了解的不斷深入，以及ZigBee聯(lián)盟對其標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善，ZigBee芯片及系統(tǒng)的價格會逐步降低。相信在不久的將來，無線自動抄表系統(tǒng)在我國一定會有很大的發(fā)展。
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