無線抄表系統設計與實現

王 偉 馬永剛 宋春麟 任維浩

（1.大連東軟信息學院，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學，遼寧 大連116023)

0 引言

基于ZigBee無線網絡平臺的自動抄表系統具有以下特點：1）無需布設通信線路，各設備之間實現無線自動組網連接，降低了系統的安裝成本；2）由于系統沒有控制線路，避免了惡意破壞，整個系統的各個模塊具有集成度高、可靠性高、功耗低、成本低、體積小等優點；3）ZigBee具有自組織功能，使網絡無需人工干涉，網絡節點能夠感知其他節點的存在，并確定連接關系；4）整個網絡使用的無線頻率是國際通用的免費頻段(2.4-2.48 GHz ISM)，傳輸方式采用的是抗干擾能力強的直接序列擴頻方式，使網絡具有卓越的物理性能。本文提出一種基于LabVIEW和ZigBee的無線抄表系統方案，完成硬件設計和軟件設計。本設計克服了傳統的人工抄表模式的弊端，給水、電、氣管理的自動化帶來了方便。

1 系統總體設計

本系統主要包括兩部分：上位機和下位機。上位機是小區物業管理中心的PC機，主要完成發送命令給下位機及顯示查詢結果。下位機主要由數據采集器、路由器、協調器組成。采集器用于處理和采集用戶多個電能表信息，并通過無線射頻信道與協調器交換數據，采集器通過RS-485總線與電能表連接，向下與儀表進行通信，通過儀表總線將一棟單元樓所有住戶的儀表數據進行集抄，這樣就構成了ZigBee網絡的一個節點，向上則是與路由中繼器進行通信，將數據通過ZigBee網絡上傳至協調器。采集器節點通常被安置在居民樓頂可以減小環境對設備的干擾，各節點之間采用基于ZigBee協議的無線方式進行數據傳輸，最終將采集到的數據發送至上位機數據管理平臺，系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 無線抄表系統基本組成

2 下位機硬件設計

硬件設計過程中，ZigBee射頻模塊核心微處理器選用TI公司推出的低功耗片上系統CC2530射頻芯片，與第一代CC2430相比，CC2530功耗更低，最大通信距離為400m，多達256kB的閃存以支持更大的應用，其強大的地址識別和數據包處理引擎，能夠很好地匹配RF前端，封裝更小。

2.1 采集器與路由器硬件設計

采集器的任務是接收上位機的指令，根據指令的要求抄取底層連接的數字儀表的數據，通過無線網絡將數據發送給上位機。路由器的主要功能有：擴展無線傳感器網絡的傳輸范圍；轉發集中器與采集器間的通信命令與數據信息。采集器與儀表通過RS-485標準串行接口連接。根據RS-485通信協議，儀表通過RS-485接口向采集器返回報文即儀表數據，采集器再將這些數據打包后通過無線網絡傳給集中器，集中器再將數據包上傳給上位機。采集器與路由器硬件由核心處理器CC2530無線模塊、RS-485接口電路、無線通信電路、電源電路等幾部分組成。采集器與路由器硬件結構示意圖如圖2所示。

圖2 采集器與路由器結構示意圖

2.2 協調器硬件設計

協調器的硬件結構如圖3所示，其主要功能有：負責啟動、配置與協調整個ZigBee網絡；下發集抄中心的命令與數據信息給ZigBee網絡中的任一設備；接收ZigBee網絡中任一設備返回的儀表數據、儀表狀態與網絡狀態信息并上傳到小區管理中心上位機。

圖3 協調器結構示意圖

3 下位機軟件設計

3.1 采集器軟件設計

采集器程序流程圖如圖4所示：采集器接收到協調器發送的命令（用戶地址）后，與本模塊負責管理的用戶地址對比，若在本模塊負責范圍內，則采集器會發送相應用戶數據信息給協調器。

圖4 采集器程序流程圖

3.2 協調器軟件設計

協調器軟件設計流程圖如圖5所示：首先協調器進行串口初始化，包括設置波特率、中斷等，并以廣播方式建立網絡，之后對串口和無線監測，當串口或無線事件發生時進行處理，若是串口事件發生，則協調器通過串口接收到上位機命令并無線發送出去，若是無線網絡事件發生，則協調器會進行處理：新節點加入網絡還是接收無線數據。

圖5 協調器程序流程圖

4 上位機軟件設計

上位機所用的串口通信程序采用LabVIEW編寫，LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。本設計過程中，上位機程序主要實現對下位機的控制和對信息的讀取與顯示等功能。其中用到的函數有：①VISA串口中斷；②VISA串口字節數；③VISA讀取；④VISA關閉；⑤VISA配置串口。核心部分程序流程圖如圖6所示。

圖6 上位機程序流程圖

下面是采用LabVIEW實現的數據顯示部分，本部分通過字符串截取控件篩選出需要顯示的數據，通過控件顯示，再通過字符串/數值轉換控件將數據轉化為數值，這樣可以通過儀表、波形圖等控件顯示出來，更加直觀而且便于觀察。數據顯示部分框圖如圖7所示。

圖7 數據顯示部分設計

5 模擬測試

為了測試抄表節點的實際運行效果，在實驗室環境進行了模擬測試。模擬網絡由1個協調器、1個路由器、2個抄表終端節點、3個數字量傳感器模擬水、電、氣信息量，并連接至有RS-485總線的系統板上，1臺PC機通過RS-232通信接口與協調器相連。通過設置LabVIEW設計的上位機軟件來查詢1號樓，1單元，101室的用量信息，查詢結果如圖8所示。

圖8 上位機查詢界面

在選擇不同的單元、門牌號時，程序會通過串口發送不同的指令以獲取不同的用戶數據。此外上位機還可以導入用戶頭像，在選擇時可以顯示圖片，更加直觀，另外還添加了語音播報功能，可以播報查詢信息和顯示系統時間。

6 結語

上面的調試結果成功完成了整個系統的設計和實現，模擬實現了自動抄表過程，但還存在很多不足之處，例如傳輸距離只有幾十米，通信距離比較短。在實際應用中，若要擴展通信范圍，一方面在采集器端增加功率放大器，另一方面也可以在抄表兩端之間再加中繼器，這樣才可以實現更遠距離的抄表，另外目前水、煤氣儀表仍然是機械表，沒有RS-485接口，只有電表具有RS-485接口，何時能將機械表更換成電子表還有待于國家相關部門的改進。

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