基于ZigBee的戶用水表無線遠程抄表系統

左瑞娟 武永華 王宇 張濤

摘 要：針對傳統的抄表系統成本高、功耗大、效率低下等問題，設計一種基于ZigBee和GPRS相結合的戶用水表無線抄表系統。在戶用水表小區內采用ZigBee無線傳感器通信技術，在戶用水表小區外采用GPRS遠程通信技術。該系統具有低功耗、低成本、抗干擾能力強、自組網和自適應等特點，且具有較強的移植性和兼容性。

關鍵詞：ZigBee;GPRS;自組網;無線傳感器;遠程抄表;水表抄表

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

近年來，隨著計算機技術、網絡技術和微電子技術的迅猛發展，越來越多的新技術應用于自動抄表系統，特別是無線低功耗傳輸技術的發展。近年來發展起來的無線抄表系統，工作效率高、數據抄收準確和實時性強、安裝方便以及無需入戶抄表等優點逐步成為抄表系統的主要發展趨勢。主要的無線傳輸方式有紅外、藍牙[1]、GPRS[2]和ZigBee[3]。由于無線抄表網絡具有節點數目多、數據流量小以及實時性強等特點，因此在選擇無線通信技術時必須要考慮成本、功耗以及網絡的可擴展性等因素。與其他幾種無線通信技術相比，ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的免頻段使用費、低速率、短距離傳輸的無線通信技術，其突出優點是近距離、低功耗和低成本，并且具有較高的可靠性、安全性和自組織能力，支持超大網絡容量。

本文設計一種基于ZigBee芯片CC2530[4]的無線抄表系統方案，兼具分布式和集中式的特點，可以完成各個水表單元數據定時采集和單播、組播和廣播等多種集抄方式。該無線抄表系統由水表集抄中心、ZigBee網絡、GPRS網絡和智能水表構成，形成數據采集層、數據傳輸層、水表監控管理層三層分布式結構。

1 戶用水表無線遠程抄表系統總體方案設計

圖1為三層分布式無線抄表系統結構圖。數據采集層的采集器通過RS 485[5]或者紅外實現對戶用水表的數據及其他表具信息的采集。為降低功耗，采集器采用呼吸方式進行工作。數據傳輸層中繼器負責對收集到的各個采集器水表信息進行轉發，最終匯總至集中器。集中器完成ZigBee網絡和GPRS網絡數據的轉換，收集到中繼器轉發的信息進行匯總并通過GPRS公網將數據傳輸到水表集抄中心。整個抄表系統的下行鏈路和上行鏈路基本類似。

2 采集器軟硬件設計

數據采集器在無線抄表系統中上行和中繼器通信，下行和戶用水表通信。采集器可以采集多個智能戶用水表數據，它把數據上行傳給數據中繼器，并從數據中繼器接收數據和指令下發給智能戶用水表，硬件設計框圖如圖2

所示。采集器ZigBee無線網絡采用TI公司推出的高性能、低功耗芯片CC2530。該芯片符合IEEE 802.15.4標準的

2.4 GHz射頻收發器，以及增強型的8051MCU，8 KB RAM 和256 KB FLASH。采集器通過紅外和RS 485采集戶用水表的水務信息，并通過CC2591射頻模塊發送給中繼器。采集器通過CC2591射頻放大集成電路對信號進行放大以拓展通信范圍。

采集器軟件流程設計如圖3所示。采集器主要是定時進行水表數據采集，并將水表數據通過CC2591發送到中繼器，同時接收中繼器的命令，并執行。

3 中繼器軟硬件設計

中繼器節點負責ZigBee網絡中節點之間的路由建立和維護，是數據采集器和集中器之間的數據轉發裝置，把數據采集器中要上傳的數據轉給集中器，同時把集中器發出的控制指令轉給采集器，在一定區域范圍安置一個中繼器，就可以保證信號覆蓋整個網絡。中繼器節點主要由CC2530芯片和CC2591射頻前端和電池模塊組成，關鍵部分電路如圖4所示。CC2591射頻前端擴充了網絡的無線應用距離。

中繼器軟件流程設計如圖5所示。其主要進行集中器和采集器之間的數據和命令轉發。

4 集中器軟硬件設計

集中器是ZigBee網絡中一定區域范圍內所有數據的匯總器。無線抄表系統的一個小區只有一個集中器，理論上可以連接1 000個智能水表。集中器收集中繼器轉發過來的水表信息并存儲，最多可以存儲1年的數據。定時通過GPRS模塊將數據發送給集抄中心，通過接收集抄中心的命令，并轉發給數據采集器。集中器主要由CC2530，CC2591，PIC24[6]單片機，GPRS模塊，數據存儲器等構成。系統框圖如圖6所示。

TI的CC2530本身發射功率小，為了滿足實際應用要求，擴大網絡覆蓋范圍，本文在CC2530芯片的基礎上增加射頻前端芯片CC2591，用來放大輸出功率。CC2591是TI一款高性能、低功耗的射頻前端芯片，加上CC2591[7]，ZigBee網絡通信距離可達600 m以上。

PIC單片機采用Microchip[8]公司的PIC24FJ128GA308芯片，該芯片采用16位的改進型哈佛架構，最高運行速度可達32 MHz。芯片自帶128 KB閃存，8 KB SRAM，RTCC，2個SPI模塊，4個UART模塊，32位CRC發生器，24通道A/D轉換器，深度休眠的超低功耗電流消耗。

GPRS模塊采用上海移遠通信技術有限公司的M35四頻 GSM/GPRS模塊。待機電流低至0.9 mA，內嵌網絡服務協議棧，支持多個IP地址。單片機通過AT命令完成對M35模塊的控制，M35模塊基于TCP/IP協議把水表走量數據傳輸到監控中心。

數據FLASH采用Atmel公司的AT45DB3211D串行接口閃存芯片。存儲空間為4 MB，SPI接口，速度可達66 MHz。數據FLASH接口原理圖如圖7所示。

集中器軟件流程設計如圖8所示。其主要是負責ZigBee網絡的建立和管理，建立網絡后，處于低功耗休眠模式。上傳時間到，則集中器通過中繼器獲得采集器水表信息，通過GPRS網絡把數據傳輸到水表集抄中心，如果下行有命令和數據時，集中接收此命令和數據，并下發給采集器。

5 結 語

本文提出并設計一種基于ZigBee的戶用水表無線遠程抄表系統。該系統采用三層分布式結構，具有較好的市場應用價值，不僅降低了抄表工作的成本，而且克服了人工抄表的不確定性，隨時可以對水表節點情況監管并即時發現問題和解決問題，給用戶和企業帶來了便利和效益。

注：本文通訊作者為武永華。

參考文獻

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