基于ZigBee的遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

1、基于ZigBee的遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)摘要：為理解決傳統(tǒng)抄表收費(fèi)方式實(shí)時(shí)性差、準(zhǔn)確性低、收費(fèi)難等問(wèn)題，提出了一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)的低功耗、低本錢無(wú)線抄表系統(tǒng)。采集器、集中器由低功耗片上的CC2430構(gòu)成，數(shù)據(jù)通訊由ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展，并與遠(yuǎn)程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)GPRS相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的定時(shí)采集。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能表高效精準(zhǔn)、操作便捷的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，進(jìn)步了遠(yuǎn)程無(wú)線抄表的效率。關(guān)鍵詞：ZigBee； 遠(yuǎn)程抄表； GPRS； 數(shù)據(jù)采集Research and Design of A Remote Meter Reading System based on ZigBeeWAN

2、G NingningAba Teachers College， Wenchuan Sichuan 623002， ChinaAbstract：Aiming at the problems of real-time performance， accuracy， charging of traditional meter reading， this paper proposes a low power consumption and low cost wireless meter reading system based on ZigBee and GPRS technology. Collect

3、or and concentrator consist of a chip CC2430 of low power dissipation， data communication could be conducted by the ZigBee sensor network， and combined with remote GPRS wireless network， the aboved integration can realize the timing of data collection. The system has realized remote data acquisition

4、 of watt-hour meter with precise and convenient operation， which improves the efficiency of remote wireless meter reading.Key words：ZigBee； Remote Meter Reading； GPRS； Data Acquisition0引言鑒于此，本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)是一種低本錢、低功耗、低傳輸速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，擁有完好的通信協(xié)議棧4。網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)自我維護(hù)、自組網(wǎng)功能，因此具備普通射頻無(wú)

5、線網(wǎng)絡(luò)不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)用戶電能數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄錄，便于電力系統(tǒng)的管理。與此同時(shí)，還進(jìn)一步有著無(wú)需布線、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)及特性。1系統(tǒng)的總體構(gòu)造設(shè)計(jì)抄表系統(tǒng)總體構(gòu)造可分上、中、下三層。其中，下層部分是ZigBee模塊的數(shù)據(jù)采集，該模塊中，用戶處安裝具有RS485總線功能的電能表，并采取主從方式的一對(duì)多拓?fù)錁?gòu)造構(gòu)成底層。每個(gè)RFD模塊也就是一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，采集器和采集器之間利用網(wǎng)狀構(gòu)造聯(lián)接。中間層那么由ARM處理器和兩個(gè)無(wú)線模塊ZigBee和GPRS構(gòu)成數(shù)據(jù)集中器，上行通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，下行即通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊搜集電能表的電能數(shù)據(jù)。集中器

6、主要負(fù)責(zé)連通系統(tǒng)的頂層數(shù)據(jù)庫(kù)和底層的采集節(jié)點(diǎn)?；诖?，上層將作為電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)層，其中存儲(chǔ)了大量的電能數(shù)據(jù)。訪問(wèn)那么需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)并于授權(quán)前方可進(jìn)展，訪問(wèn)權(quán)限詳細(xì)可分為只讀權(quán)限、數(shù)據(jù)保存權(quán)限、可讀可保存權(quán)限等。抄表系統(tǒng)總體構(gòu)造如圖1所示。圖1 抄表系統(tǒng)總體構(gòu)造圖2.1數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)集中器是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，主要任務(wù)就是建立新的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)的信息指示、管理網(wǎng)絡(luò)中存在的節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)一步翻譯信息以及實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)。集中器模塊可分為三個(gè)部分，詳細(xì)解析如下：2ZigBee無(wú)線模塊。采用的是CC2430芯片，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)底層電能數(shù)據(jù)的采集，且能結(jié)合GPRS模塊方便快捷地與電業(yè)管理系統(tǒng)的效勞器進(jìn)展交互，也能解

7、析控制命令，進(jìn)而執(zhí)行一些相關(guān)控制；3GPRS模塊。采用SIM300模塊，向上傳輸電能數(shù)據(jù)，向下傳達(dá)系統(tǒng)上層指令數(shù)據(jù)。另外，為了利于信息的維護(hù)和查看，集中器還接入了TFT觸摸屏，以實(shí)現(xiàn)用戶與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的界面交互，方便對(duì)系統(tǒng)的操作與處理。集中器節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖2所示。圖2 集中器硬件模塊構(gòu)成Fig.2 Hardware modules of the concentrator3軟件設(shè)計(jì)流程本軟件系統(tǒng)主要是結(jié)合ZigBee技術(shù)與GPRS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線抄表的設(shè)計(jì)目的，系統(tǒng)的重點(diǎn)功能就是集中器能自行建立網(wǎng)絡(luò)、采集器可自動(dòng)抄表、遠(yuǎn)程終端命令得以控制和遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表等。鑒于以上功能需求，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為集中

8、器軟件設(shè)計(jì)和采集器軟件設(shè)計(jì)。詳細(xì)闡述如下。3.1集中器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)集中器是整個(gè)系統(tǒng)的橋梁，可通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)下發(fā)指令對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的采集器進(jìn)展操控。系統(tǒng)采用多進(jìn)程設(shè)計(jì)，但是進(jìn)程大多數(shù)時(shí)間處于睡眠狀態(tài)。此時(shí)需喚醒進(jìn)程轉(zhuǎn)入到工作形式，刷新采集器所在的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。采集器收到采集數(shù)據(jù)命令后，應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)，其后啟動(dòng)采集任務(wù)，即通過(guò)RS485總線采集多塊電能表數(shù)據(jù)。守護(hù)進(jìn)程啟動(dòng)以后創(chuàng)立一個(gè)鏈表插入定時(shí)抄表時(shí)間節(jié)點(diǎn)，抄表進(jìn)程定時(shí)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)通信定時(shí)節(jié)點(diǎn)。設(shè)置系統(tǒng)根本定時(shí)時(shí)長(zhǎng)，并且啟動(dòng)抄表進(jìn)程和數(shù)據(jù)通信進(jìn)程。在抄表進(jìn)程中，監(jiān)控時(shí)間鏈表和GPRS抄表指令。假設(shè)是控制命令，調(diào)用控制任務(wù)下發(fā)指令到采集器節(jié)點(diǎn)，假設(shè)是數(shù)

9、據(jù)長(zhǎng)傳指令，調(diào)用數(shù)據(jù)通信任務(wù)經(jīng)GPRS模塊將集中器搜集的電能數(shù)據(jù)上傳至頂層效勞器。定時(shí)時(shí)間耗盡判斷是否到抄表時(shí)間或者收到抄表命令時(shí)調(diào)用抄表任務(wù)來(lái)完成數(shù)據(jù)采集。集中器節(jié)點(diǎn)流程如圖3所示。圖3 集中器節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.3 Flow chart of concentrator nodes3.2采集器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)采集器的功能是自動(dòng)進(jìn)展抄表，記錄電表的數(shù)據(jù)，監(jiān)聽(tīng)集中器對(duì)激活碼和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的發(fā)送情況。首先是采集器網(wǎng)絡(luò)的激活，刷新無(wú)線網(wǎng)絡(luò)判斷采集器是否都有應(yīng)答。假設(shè)全部應(yīng)答，就調(diào)用抄表任務(wù)進(jìn)展數(shù)據(jù)采集；假設(shè)部分應(yīng)答，將重復(fù)刷新網(wǎng)絡(luò)三次。假設(shè)還是無(wú)法全部應(yīng)答，那么調(diào)用抄表任務(wù)進(jìn)展數(shù)據(jù)采集。而后采集器收到抄表指令

10、，啟動(dòng)采集任務(wù)，完成記錄時(shí)間和日期上傳數(shù)據(jù)到集中器，同時(shí)也上傳無(wú)應(yīng)答的采集器編號(hào)到集中器，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。采集器節(jié)點(diǎn)流程如圖4所示。圖4 采集器節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.4 Flow chart of collector nodes4完畢語(yǔ)本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)，具有本錢低、功耗低、組網(wǎng)便捷的優(yōu)勢(shì)，并且能滿足用戶遠(yuǎn)程無(wú)線抄表的需求。下層通過(guò)具有完好協(xié)議棧的ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)功能和自我維護(hù)，對(duì)于采集器的添加和刪除維護(hù)本錢低且具較大便利。上層通信采用GPRS網(wǎng)絡(luò)通信，更為穩(wěn)定并且實(shí)時(shí)性也較高；在無(wú)流量不計(jì)費(fèi)的情況下可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的永久在線。本系統(tǒng)在維

11、護(hù)和安裝上都較簡(jiǎn)單易行，而且能對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)展高效、可靠的遠(yuǎn)程采集，大大進(jìn)步抄表的效率。仍需指出，本系統(tǒng)擁有較強(qiáng)的可移植性，不僅在抄表方面呈現(xiàn)了廣闊的前景，而且在工程、設(shè)備檢測(cè)等方面也表現(xiàn)有頗高的應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)：2吳成東.智能無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用M.北京：科學(xué)出版社，2021.5王小強(qiáng)，歐陽(yáng)駿，黃寧淋.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2021.7周鑫，朱向東，于秀波.ZigBee遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.自動(dòng)化儀表，20213：31-33.上接第94頁(yè)5工程創(chuàng)新點(diǎn)1 學(xué)校應(yīng)用。學(xué)校應(yīng)用是本文系統(tǒng)核心部分，通過(guò)高校在線課堂的創(chuàng)立，讓在線課堂成為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)的啟

12、征點(diǎn)，從而使開(kāi)放性課堂走入不同專業(yè)、不同層次的學(xué)生中去。題庫(kù)的建立有利于形成一個(gè)穩(wěn)定的教學(xué)系統(tǒng)，教師可以把課上的教案、課件、實(shí)驗(yàn)均置于其中，師生都可隨時(shí)下載研讀，因此構(gòu)建一個(gè)良好的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境。2 教學(xué)信息化管理。PC端管理可以對(duì)教師、學(xué)生的所有信息施行管理，一旦系統(tǒng)建立起來(lái)，還要建立一支學(xué)生形成的管理團(tuán)隊(duì)，由高校專屬部門進(jìn)展嚴(yán)格管理和工作分配，以實(shí)現(xiàn)真正的教育信息化和數(shù)字化。6完畢語(yǔ)挪動(dòng)學(xué)習(xí)在高等院校中的應(yīng)用仍然處于起步階段，詳細(xì)研發(fā)隊(duì)伍還未臻于成熟和健全，也仍未得到各院校、尤其是民辦院校的應(yīng)有重視，而且教師和學(xué)生程度更有待于進(jìn)一步增強(qiáng)和進(jìn)步。挪動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)是集開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)于一體的課題科研工程，在規(guī)劃和設(shè)計(jì)過(guò)程中尚有很多因素需要討論與解決，今后即需將整體工程按照規(guī)劃的思路進(jìn)展和開(kāi)展下去，保證工程整體的良好