基于ZigBee技術的家居抄表系統設計

李綱等

摘要：針對傳統抄表方式所遇到的出錯率高、效率低下等問題，提出了一種基于ZigBee技術的家居抄表系統設計方案。系統采用PIC18LF4620作為核心處理器，近距離通信功能由CC2430芯片實現，遠距離通信功能由SIM300芯片以及GPRS技術完成。系統實現了對家居儀表數據的遠程抄寫。實驗證明，該系統安全可用。

關鍵詞：ZigBee； GPRS； 抄表系統； 簇狀結構； CC2430

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A文章編號：2095-2163（2014）01-0020-04

0引言

隨著計算機、無線通信和微電子技術的飛速發展，人民生活水平的不斷提高，對家庭自動化、樓宇自動化的需求正在不斷增長[1]。針對現有高層和豪華居住小區的物業配備特點，傳統抄表方式以其浪費人力而且又不可避免地存在著人為因素可能造成的抄表誤差，己經不能適應今后住宅的發展要求。尤其是，若遭遇經常在外的用戶，抄表及收費更是困難，并且還會有不法分子以查抄水電表為借口進行一系列入室犯罪活動，因此實現智能遠程抄表已經成為未來住宅的發展趨勢。采用遠程無線抄表系統可以避免手工抄表可能產生的錯抄、漏抄等人為錯誤，同時還可以提高效率、減輕勞動強度、解放和節省勞動力。為了滿足需求，文中將利用ZigBee和GPRS技術設計一個實際可用系統，實現家居儀表數據的遠程無線抄送。

1通信技術介紹

1.1ZigBee技術

ZigBee技術是繼Bluetooth之后的一種新興的無線傳感器網絡技術，具有短距離、低功耗、低成本和低復雜度等特點，并已在家庭、建筑自動化、消費類電子、工業控制和醫療傳感器等諸多方面獲得廣泛應用。ZigBee技術實質上是由調頻技術以及擴頻技術相結合而共同實現的，工作頻段不僅支持全球流行的2.4GHz，對歐洲使用的868MHz和美國使用的915MHz也同樣兼容。以上三種頻段上均具有最高數據傳輸速率，具體數目分別是250kbps、20kbps和40kbps。當ZigBee技術以2.4GHz頻段工作時，在室內傳輸距離可以達到10米左右，而在室外的良好環境中，傳輸距離則高達200米；ZigBee技術的工作頻段發生改變時，如按照歐洲和美洲的頻段標準進行工作，室內傳輸距離將達到30米，在室外傳輸距離也同樣會有所增加，即可增至1 000米。但在實際使用過程中，傳輸距離通常則由發射功率的大小而最終決定[2]。

ZigBee技術有多種拓撲網絡結構，具體結構如圖1所示。

1.2GPRS技術

目前已經十分成熟的通用分組無線業務，也就是GPRS（General Packet Radio Service），通過充分利用共享無線信道形成其一大特點，而且同時又采用IP Over PPP實現數據終端的高速、遠程接入。GPRS的發展已經進入成熟階段，使用范圍也堪稱廣泛，并且配套設施也較為完善，因此其優勢是十分顯著的。GPRS提供端到端、廣域的無線IP連接，并具有充分利用現有的網絡及硬件、收費價格低廉、資源利用率高、且傳輸速率高等一系列特點[3]。

2系統結構和網絡結構設計

2.1系統的主要結構、功能與技術指標

如圖2所示，用戶抄表模塊使用2.4G的免費、免申請頻段。而ZigBee無線網絡則由如下三部分組成，分別是ZigBee網絡協調器，也就是網絡的中心節點、全功能設備（FFD），也就是網絡的路由或中繼、精簡功能設備（RFD），也就是網絡中的終端節點，如此結合來共同實現儀表數據的抄寫和傳輸等各項功能。

ZigBee網絡主要面向短距離通信， 而GPRS網絡則面向遠距離的通信，兩者能夠互為補充，并通過網關將這兩個網絡彼此連通，實現了從用戶抄表端到遠程控制終端的遠距離數據傳輸。

家居抄表系統應具備以下功能：

（1）定時、定點、自動地抄錄各用戶的用電、水、燃氣量。

（2）低功耗、成本低、可靠又安全。

（3）對用戶電水氣表工作狀況進行實時監測，有異常錯誤時可以自動上報。

（4）為物業部門提供有效的運行參數，也為抄表自動化的實現提供基礎數據。

（5）實現數據的遠距離自動傳輸和處理。

2.2系統的網絡結構設計

家居抄表系統采用ZigBee網絡與GPRS網絡相結合的方式，具體結構如圖3所示。

近距離通信模塊主要由CC2430芯片控制實現，如此則基于其價格便宜，且使用便利的特點，這時只需對外圍電路進行簡單的設計和添加，即可構成具有數據收發功能的通信模塊。用于遠程通信的功能模塊采用的則是SIM300芯片，因其穩定性較高、技術成熟且價格便宜[4]。

在實現通信功能的過程中，系統首先通過RS232串口將數據和相關指令發送給SIM300，接到命令的SIM300開始自動登陸GPRS網關，經過驗證并獲取IP地址后，系統便可遠程控制終端并建立通信連接，這樣就完成了通信鏈路的成功組建。

近距離通信由于實際使用的原因，同一區域內，如多個用戶同時使用的情況下，節點發送的數據冗余性一般都會比較大，因此本系統采取分簇結構的通信網絡，即將分布比較密集的節點形成簇，并選出一個節點為簇首，而簇內各節點則將數據轉發給簇首，當簇首在收集到簇內各節點發送的信息后，即對簇內數據進行一系列的融合工作，再對數據包進行壓縮，壓縮后的數據量變少，如此則不僅減少了數據流量，而且也實現了節能目的。

3系統硬件設計

3.1用戶抄表模塊設計

在系統軟件設計過程中，各層通信協議均要以節能和安全為主。ZigBee模塊間的通信流程可以傳感器節點和網絡協調器之間的通信為例來說明。在建立通信之前，ZigBee模塊首先要進行初始化，其初始化流程如圖7所示。而初始化過程中，主動請求連接傳感器節點的指令一般由網絡協調器發出，當傳感器節點成功接收數據后，就會對一個數據幀和MAC命令幀進行一系列驗證。若通過驗證后，即向匯節點返回確認幀，此時傳感器節點的ZigBee模塊將處于休眠狀態。初始化完成后，ZigBee模塊信息處理流程則如圖8所示，網絡協調器將切換為工作狀態，等待由傳感器節點發出的響應連接請求信令，當到達約定時間，傳感器節點即向網絡協調器發送主動連接請求，同時向網絡協調器發送數據信息，就可采集得到智能儀表的顯示數據。傳感器節點和匯節點之間以及匯節點和網絡協調之間的通信亦與此類似，此處不做贅述說明。

5實驗結果與結論分析

實驗中選取了6個實驗點，組成一個小型分簇網絡，并選舉了一個簇首。每個傳感器節點定時將采集到的儀表數據發送給預先已選定的簇首，每當節點完成發送數據的功能后，即會進入休眠態，如此可以節省能源，增加硬件使用時間；而在接收數據之后，簇首會對簇內的數據進行融合，即壓縮數據并發送給路由節點，數據經過一系列路由節點的傳輸之后，由GPRS模塊實現接收，而數據最終由GPRS模塊發送至遠程控制終端[3-6]。隨機選取了其中3個實驗點（用戶）1個月的水、電、燃氣表使用情況進行測試，實驗數據如表1所示。

6結束語

通過將遠程通信技術GPRS和近程通信技術ZigBee相結合，系統實現了近距離無線傳感器網絡和遠程通信網絡的有機融合，完成了對水、電、燃氣表的遠距離控制與抄寫。系統充分利用了現有的硬件資源以及通信資源，大大提高了工作效率，并且由于所使用技術較為成熟，因此成本較低、能耗較少，同時具備了一定的擴展性，安全性也相應得到了切實的保證，可廣泛應用于其他類似場合。

參考文獻：

[1]李綱，張少輝. 基于RFID的蛛網模型定位算法設計[J]. 軟件， 2012， 33（4）：9-12.

[2]劉瑞霞，李春杰，郭 強，等.基于ZigBee網狀網絡的分簇路由協議[J].計算機工程，2009，35（3）：161-181.

[3]何明星.基于ZigBee與GPRS技術的無線傳感器網絡網關的設計[J].工礦自動化，2009，8：106-108.

[4]鞠玉鵬，施偉斌.基于ZigBee技術的遠程無線抄表系統設計[J].網絡與通信，2009，15：38-44.

[5]李 文.基于ZigBee和GPRS的遠程監控系統設計[J].消防與安全，2009，12：37-44.

[6]紀金水. 基于Zigbee無線傳感器網絡技術的系統設計[J].計算機工程與設計， 2009，28（2）：404-408.