基于ＺｉｇＢｅｅ的無(wú)線抄表監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要:該文通過(guò)對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的介紹，闡述了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議棧，利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線抄表監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并對(duì)無(wú)線抄表監(jiān)控系統(tǒng)中的采集終端、集中器和服務(wù)器三部分做了深入的研究。

關(guān)鍵詞:ZigBee;采集終端;集中器;服務(wù)器

中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)24-6756-02

Research of the Wireless Meter Reading and Monitoring System Based on ZigBee

YANG Li-shen， XIE Sheng-feng

(School of Computer， Henan Polytechnical University， Jiaozuo 454000， China)

Abstract: This paper introduces the ZigBee network technology， and elaborates the topology andprotocol stack of the ZigBee，it realizes the general design of wireless meter reading and monitoring system with the ZigBee technology ，and researches deeply the collection terminals， concentrator and server.

Key words: ZigBee; collection terminals; concentrator，server

目前，傳統(tǒng)的人工抄取電表具有費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，同時(shí)準(zhǔn)確性和及時(shí)性也得不到很好的保障，為解決人工抄表的諸多弊端，本文提出了利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線抄表監(jiān)控系統(tǒng)的方案，具有低成本、操作方便等特點(diǎn)。

1 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee是近年新興起的一種無(wú)線短距離通訊技術(shù)，它具有低成本、低消耗、低速率特點(diǎn)，同時(shí)工作在2.4GHz的免費(fèi)頻段。

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]

ZigBee以一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過(guò)無(wú)線通訊組成星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非相同，按照他們的功能定義了兩種物理設(shè)備類型:全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(Reduced Function Device)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中支持三種功能設(shè)備，它們分別是協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，其中協(xié)調(diào)器和路由器是全功能設(shè)備，終端節(jié)點(diǎn)是RFD，其中協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的核心，相當(dāng)于現(xiàn)在有線局域網(wǎng)中的服務(wù)器，作用是建立新網(wǎng)絡(luò)和管理本網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)的功能是轉(zhuǎn)發(fā)同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，起到通訊路由的作用。終端節(jié)點(diǎn)只具有接受和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。

在星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，如圖1中的(a)所示，所有的節(jié)點(diǎn)只能與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通訊，相互之間的通訊時(shí)禁止的，這種網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于管理，但是同時(shí)也給協(xié)調(diào)器帶來(lái)更多的管理工作，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞、丟包、性能下降等。在樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中，如圖1中的(b)所示，增加了具有路由功能的全功能設(shè)備，這樣可以采取分級(jí)路由策略來(lái)傳送數(shù)據(jù)和命令信息，其優(yōu)點(diǎn)是在一定程度上減輕了協(xié)調(diào)器的工作負(fù)擔(dān)，同時(shí)能使節(jié)點(diǎn)定期進(jìn)入休眠狀態(tài)，降低功耗，但是節(jié)點(diǎn)的通訊路由相對(duì)單一，網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，相應(yīng)區(qū)域就進(jìn)入通訊癱瘓狀態(tài)。在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，如圖1中的(3)所示，半功能節(jié)點(diǎn)只能與就近的全功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，節(jié)點(diǎn)的通訊路由可以多種選擇，提高了網(wǎng)絡(luò)的健壯性，但是很難使節(jié)點(diǎn)做到定期進(jìn)入休眠狀態(tài)，管理復(fù)雜。

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[2]

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)主要有物理層、MAC(媒體接入控制)層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。物理層的功能是啟動(dòng)和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)器，對(duì)能量、鏈路質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，選擇信道，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接受。MAC層的功能是提供數(shù)據(jù)和管理服務(wù)，具體特征是:信標(biāo)管理、信道選擇、時(shí)隙管理、發(fā)送和斷開(kāi)連接。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是確保MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體兩個(gè)實(shí)體，其中數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體為數(shù)據(jù)提供服務(wù)，將數(shù)據(jù)按照協(xié)議數(shù)據(jù)單元的格式進(jìn)行傳送，管理實(shí)體提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，包括初始化網(wǎng)絡(luò)、連接和斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)、尋址等。

2 無(wú)線抄表監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無(wú)線抄表監(jiān)控系統(tǒng)主要包括三部分，它們分別是采集器、集中器和前臺(tái)服務(wù)器，其中采集器的功能是通過(guò)RS-485總線采集電表的電量信息，集中器的功能則是通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)定時(shí)讀取采集器終端的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。服務(wù)器的功能是通過(guò)調(diào)用后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，把電量信息顯示在前臺(tái)網(wǎng)頁(yè)上，同時(shí)可以通過(guò)頁(yè)面發(fā)送實(shí)時(shí)控制命令，把命令信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中，集中器讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的命令信息，和采集器通訊，這樣把采集器處理的命令結(jié)果通過(guò)集中器寫入到數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)器讀取結(jié)果顯示在前臺(tái)頁(yè)面上。在這里沒(méi)涉及到路由器，可根據(jù)實(shí)際情況，如果采集器終端和集中器的實(shí)際距離比較遠(yuǎn)，或者周圍環(huán)境復(fù)雜，影響數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸，可以架設(shè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)設(shè)備。總體設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

2.1 采集器終端設(shè)計(jì)

采集器終端作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采取電表的數(shù)據(jù)信息，包括尖、峰、平、谷等止碼信息。采集器終端通過(guò)RS-485總線與電表連接，可以抄取單路和多路電表數(shù)據(jù)，其硬件設(shè)計(jì)包括處理器、無(wú)線通訊模塊和其它外圍電路，其中處理器采用的是ATMEL公司的ATMEGA32L-8AI，該處理器采用了先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，高性能、低消耗的8位微處理器，具有非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器功能[4]。ZigBee模塊采用赫立訊公司的IP-Link 1221-2264 無(wú)線組網(wǎng)模塊，內(nèi)部封裝了CC2430無(wú)線收發(fā)芯片，數(shù)據(jù)傳輸率是250Kbps，傳輸距離可達(dá)1200M，支持基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 集中器設(shè)計(jì)

集中器的功能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面，一是實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器的功能，建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，允許采集終端與網(wǎng)絡(luò)連接，二是實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的上位機(jī)界面，也就是通過(guò)集中器電路板中的微處理器實(shí)現(xiàn)串口通訊設(shè)計(jì)[3]。可以接受由串口發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以把前臺(tái)服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送給串口，其中上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面可有VB來(lái)編寫，采用字節(jié)接收方式，接收完畢之后進(jìn)行拆包，經(jīng)過(guò)一系列校驗(yàn)取出有效幀，判斷該幀是前臺(tái)服務(wù)器對(duì)集中器的命令還是通過(guò)集中器對(duì)串口的命令，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理，用Socket進(jìn)程來(lái)接受接收服務(wù)器傳過(guò)來(lái)的網(wǎng)絡(luò)命令，用Com進(jìn)程來(lái)發(fā)送串口命令并接收串口數(shù)據(jù)。

2.3 前臺(tái)服務(wù)器設(shè)計(jì)

前臺(tái)服務(wù)器就是展現(xiàn)給用戶的無(wú)線抄表監(jiān)控系統(tǒng)的前臺(tái)界面，用戶可以查看采集過(guò)來(lái)的電量數(shù)據(jù)，包括尖、峰、平、谷等止碼信息，同時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，比如線損分析、電壓電流的分析，分析方式可采用曲線圖、柱狀圖等形式。用戶還可以通過(guò)發(fā)送實(shí)時(shí)命令，查看當(dāng)前的電量信息，比如抄取電表的實(shí)時(shí)電量，實(shí)現(xiàn)方法就是把實(shí)時(shí)命令寫入到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后由集中器的上位機(jī)界面程序來(lái)讀取，并進(jìn)行處理，然后把命令發(fā)送給采集終端，終端把命令處理的結(jié)果發(fā)送給集中器，集中器再寫入到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中心，最后由前臺(tái)界面調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，把結(jié)果顯示在頁(yè)面上。

3 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的介紹，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了無(wú)線抄表監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，當(dāng)然還有一些地方需要進(jìn)一步的深入研究，比如處理器和ZigBee模塊的串口通訊，還有采集終端和集中器以及集中器和前臺(tái)服務(wù)器之間的通訊協(xié)議的規(guī)定。

參考文獻(xiàn):

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