ZigBee远程无线抄表系统的设计

ZigBee远程无线抄表系统的设计
周鑫;朱向东;于秀波
【摘要】Due to existing meter reading systems feature many demerits, e.
g. , high power consumption, high cost, and small scale of networking, etc. , the traditional hardware node is improved by the remote meter reading scheme of using ZigBee wireless communication technology. In this scheme, for expanding covering range of the network, the Balun low pass filtering chip and RF front end CC2591 are added. In addition, in order to upload the data in real time, the GPRS module is added in the front end of regional concentrator. The experiment and test indicate that the scheme possesses higher transplant ability and compatibility, as well as broad applicable prospect in IoT area.%针对目前抄表系统存在的功耗大、成本高、组网规模小等问题,采用基于ZigBee无线通信技术的远程抄表方案,对传统硬件节点进行了改进.该方案增加了巴伦低通滤波芯片和CC2591射频前端,扩大了网络覆盖范围.同时,为了实现数据的实时上传,在区域集中器前端增加了GPRS模块.试验表明,该方案具有较强的可移植性和兼容性,在物联网(IoT)领域具有广泛的应用前景.【期刊名称】《自动化仪表》
【年(卷),期】2013(034)003
【总页数】4页(P31-33,37)
【关键词】无线抄表系统;ZigBee;网络通信;终端节点;物联网(IoT)
【作者】周鑫;朱向东;于秀波
【作者单位】西安电子科技大学机电工程学院,陕西西安710071
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
0 引言
近年来，随着我国电子技术和网络通信技术的高速发展，越来越多的新技术，特别是无线数据传输技术，已经应用于自动抄表系统中［1］。

作为无线传感网络的代表，ZigBee无线抄表系统具有采集稳定、可靠、安装费用低、维护简单、无需租用公网等其他无线数据传输技术无法比拟的优势。

ZigBee网络可容纳65000个节点［2－6］，在一个区域内可以同时存在多个ZigBee网络［2］。

但经过测试，终端节点的个数不宜太多，否则将加重协调器的负担，误码率和丢包率也会明显增加，从而降低网络运行的稳定性。

基于ZigBee网络技术，设计了一个无线抄表系统。

针对网络覆盖范围要求较大的情况，提出了“一区多网”的方案，并在原有ZigBee模块的基础上增加了低噪声RF前端放大器，以提升有效通信距离。

试验表明，该系统的有效通信距离达到1 km，能够很好地满足实际需要。

1 系统组成
本系统的硬件组成主要包括数据采集器、中继器、带GPRS的区域集中器这3个部分。

区域集中器负责组建本区域的ZigBee网络。

在成功建立网络后，区域集中器收集该区域内所有中继器转发的热力表数据，并对这些数据进行汇总，最终通过GPRS 将数据传输到热力管理中心［3］。

ZigBee的自组网功能减少了GPRS的数量。

每个区域只需使用一个GPRS模块对热量表的数据进行集抄，取代了以往一表一
ZigBee模块或一总线一GPRS模块的抄表方案，大大节约了使用成本。

中继器负责扩展网络的覆盖范围，它在数据传输过程中起到了“接力棒”的作用。

在一些复杂的环境条件下，集中器与终端采集节点无法直接进行通信，此时就需要信号的中继和数据的转发，以保证自动抄表网络稳定通畅。

同时，路由还能够自愈ZigBee网络，如果某个无线连接断开了，路由功能可以自动寻找一条新的路径，这就大大地提高了网络的可靠性，这也是ZigBee网络的一个关键特性。

数据采集器一般向下与仪表进行通信，通过仪表总线对住户的仪表数据进行集抄;向上则是与中继器进行通信，将数据通过ZigBee网络上传至协调器。

终端节点只具有应用功能，因此，只能加入已经建立的网络。

数据采集器平时处于休眠状态，在收到协调器的抄表指令后，按照指令要求，进行数据采集和上传。

系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图Fig.1 Block diagram of the overall system
2 一区多网的拓扑结构
对于ZigBee网络来说，拓扑结构的选择十分重要。

考虑到实际需求，网状(mesh)网络的容错能力强、自适应力好，但其复杂度也最高，容易造成网络运行不稳定;星型网络具有结构简单和低功率等特点，但受到距离的限制;树型网络则介于两者之间，在小区热力抄表中采用树型网络，可以满足实际需求。

理论上，由于ZigBee协议采用64位IEEE地址和16位短地址空间，网络最多能支持65536个逻辑设备。

但实际情况并非如此，一旦终端节点较多，就会使协调器的负担过重，长时间工作可能导致网络瘫痪或者误码率增加。

因此，可以将整个小区的ZigBee网络分成若干个网络，形成一区多网。

一个网络设置一个父节点作为协调器，这就可以将一个庞大复杂的网络分解成较为简单的小网络。

各个网络的组建都以并行方式进行，互不影响，从而大大减轻网络中协调器的负担。

为避免信号的干扰，对同一区域不同网络设备设置不同的信道。

在ZigBee协议栈
中，定义了11～26共16个信道，系统可任选其一作为自己的默认信道。

协调器
将在其中一个默认信道上建立自己的网络，路由器和终端节点也将选择一个默认信道加入网络，这就不会出现将网络1中的设备加入到网络2中这一现象，从而避
免对网络2运行的干扰。

若16个默认信道不够用，还可以利用PANID网络编号，其范围是0x0001～0xFFFF。

通过设置不同的PANID来区分不同的网络，从而避免网络之间的干扰。

一区多网的组网方式减少了各信道的通信负载，有效地改善了信道质量，降低了误码率，从而提高了网络运行的稳定性。

3 硬件设计
在硬件节点的设计过程中，ZigBee射频模块选用了TI公司推出的低功耗片上系统CC2530射频芯片。

与第一代CC2430相比，CC2530的功耗更低，最大通信距
离为400 m。

其强大的地址识别和数据包处理引擎，能够很好地匹配RF前端，封装更小，并支持ZigBee PRO和ZigBee RF4CE。

3.1 终端节点硬件设计
由于CC2530本身的发送功率较小(4.5 dBm)。

接收信号的灵敏度有限，因此实测距离最多只能达到200 m左右，整个网络覆盖范围较小。

为了满足实际工程需要，对节点性能进行优化，以增加网络覆盖范围。

因此，在已有的节点上增加了一个CC2591射频前端，从而提高了发送功率和接收的灵敏度。

改进后节点的最大输出功率可达到22 dBm，灵敏度可以提高6 dBm，发射电流只有100 mA。

低功耗
模式时的发射电流只有0.2 μA，而且也无需增加ZigBee路由模块的数量。

测试
表明，终端节点通信距离可达到1 km左右，其硬件框图如图2所示。

图2 终端节点硬件框图Fig.2 Hardware structure of the terminal node
仪表总线的通信接口采用的是RS-232，而CC2530的电平为TTL，所以需要一个MAX3232芯片作为电平转换［7］，与 CC2530 的 P0.2和 P0.3管脚相连。

传统的CC2530片上系统射频前端设计采用的是巴伦电路。

该电路由电感和电容
构成，而电感和电容组成的巴伦匹配电路受其参数大小、放置位置、电路板过孔、厚度及材料的影响较明显，可控性较差。

为了进一步提高硬件的性能，本设计采用一个6脚巴伦低通滤波芯片2450BM15A0002取代传统的分立原件。

这就简化了射频前端的设计，缩小了PCB板的尺寸。

与传统分离式元件的设计相比，该设计
能够进一步降低电磁干扰(electro-magnetic interference，EMI)，提高ZigBee
模块的性能。

3.2 区域集中器硬件模块设计
在实际应用中，集中器需要完成网络的维护、数据的上传、命令的下达、系统的检测和管理等功能，其硬件结构如图3所示。

其中，区域集中器要将整个区域的数
据进行汇总、压缩、打包，计算量较大。

核心处理器采用TI公司的MSP430F149单片机［8］，并在外部扩展了一片AT45DB041串行Flash外部存储器。

图3 区域集中器硬件框图Fig.3 Hardware of regional concentrator
GPRS模块利用SIM卡提供GPRS网络服务，将协调器节点采集到的仪表数据上
传到热力管理中心。

利用串行接口，协调器可以直接与上位机相连，完成数据传输。

若PC机没有串口，则可以利用USB接口部件同协调器节点相连，完成数据通信。

4 系统软件设计
4.1 中继器的软件设计
中继器程序流程如图4所示。

图4 中继器程序流程图Fig.4 Flowchart of repeater program
初始化完成后，路由会首先对周围的环境进行一个信道能量扫描。

当发现网络后，路由会周期性地向周围广播beacon request寻求协调器的回复。

一旦协调器接收到路由请求，就会发送一个Superframe来实现网络中设备的同步工作;然后，为
路由分配一个16位的网络地址，使路由成功加入网络。

此后，路由也可以成为其他设备的父节点，进行数据转发。

4.2 区域集中器的软件设计
当以协调器为中心的ZigBee网络构建成功后，热力管理平台通过GPRS网络下发抄表指令，通过ZigBee网络进行抄表。

当数据送达后，集中器将采集到的本区域的仪表数据按照协议打包、压缩，并通过GPRS网络将其发送到热力管理平台。

区域集中器程序设计流程如图5所示。

图5 区域集中器程序流程图Fig.5 Flowchart of regional concentrator
4.3 终端节点的软件设计
终端节点成功加入网络后，收到协调器发送的数据采集指令，进行数据采集。

当采集数据完成以后，将数据发送到协调器，等待确认消息。

当超过最大等待时间时，重新发送数据;接收到确认消息后，完成本次数据采集过程，等待下一次数据采集
指令。

终端节点程序设计流程如图6所示。

图6 终端节点程序流程图Fig.6 Flowchart of terminal node
5 试验结果
为验证系统的可靠性，将同一区域的4个ZigBee网络采集的热力表的数据通过GPRS模块发送至热力管理平台。

经统计，系统第一次集抄成功率为97%，第二
次集抄成功率达到99.9%。

6 结束语
本文提出并设计了一种基于ZigBee技术的远程无线抄系统，分别从系统组成结构、软硬件设计等方面介绍了ZigBee无线网络在小区远程抄表系统上的应用。

根据大型小区的实际情况，提出将一个大型复杂的ZigBee网状网络通过16个不同的信
道或PANID划分成为若干个不同的网络，从而大大减轻网络协调器的负担，提高网络运行的稳定性。

该系统无线抄表系统提供了一种灵活、方便、可行的方案，具有一定的使用价值和经济价值［5］。

参考文献
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