基于Zigbee网络的无线热量表管理系统设计

【摘要】对于热量表无线远程管理系统提出了一种基于Zigbee技术的最优方案，Zigbee无线技术功耗低、数据传输可靠，网络容量大，具有自配置、自修复、自管理等优点，因此系统的可扩展性强，后期维护工作简单。Zigbee技术结合GPRS通信技术，系统可实现对全部热量表的远程监控。

【关键词】Zigbee网络；GPRS通信技术；远程监控

Abstract：An optimal scheme based on Zigbee technology of the wireless remote management system for heat meters is proposed.Zigbee network has low power-consumption and reliable data transmission.Zigbee technology is a wireless communication technology with self-configuration，self-healing，self-management and large network bined with the GPRS communication technology，the system can achieve remote monitoring for all heat meters.Therefore，the system can be extended and the maintenance work is simple.This paper introduces the optimal scheme and system workflow in detail.

Keywords：Zigbee network；GPRS communication technology；remote monitoring

1.引言

目前，在我国电表、热量表、水表、煤气表等运行和计量操作，绝大多数采用人工抄表方式，人工操作不仅费时费力，时间跨度大，而且可能会存在漏抄、错抄等问题[1]。近年来，无线通信技术在抄表系统方向发展迅速。无线抄表系统，不仅操作简单，准确迅速，效率高，而且可以实现实时数据的读取，便于及时检测管理，实现了管理系统的智能化。

2.无线热量表管理系统方案

2.1 数据传输网络的选择

Zigbee无线技术与移动网（GPRS，CDMA）相比，Zigbee网络无网路使用费，设备成本低、功耗低；与现有的数传电台相比，Zigbee网络数据传输可靠性高，抗干扰性能好，保密性高。另外，Zigbee网络容量大，并在自配置、自修复、自管理等方面有着非常独特的优势，因此无线热量表管理系统选择Zigbee无线网络传输。

2.2 热量表控制方式选择

管理中心采用Zigbee无线网络与热量表通信，但热量表与Zigbee网络之间的通信有两种方案。方案1：热量表与Zigbee无线模块连接，热量表直接与Zigbee无线网络通信。方案2：热量表通过总线（RS485或者M-BUS）连接数据采集器，数据采集器与Zigbee无线网络通信。方案比较：方案一的Zigbee无线模块个数远远超过方案二，成本高；而且方案一热量表必须安装在用户室内，但Zigbee终端节点数据传输容易受环境因素影响并且穿墙能力有限，即使设置Zigbee路由器节点做信号覆盖，也会出现数据包丢失或者无法连接网络，方案二安装方便灵活，可以根据外界环境选择最优的传输线路，传输数据可靠。实际应用中方案一实施困难，因此选择方案二。

在集中抄表领域应用中，M-BUS和RS485两种总线都有广泛的应用，但M-BUS总线因其成本低廉，传输信号准确，负载力强，拓扑结构灵活等优势，所以更具有优势和发展的空间。所以热量表与数据采集器之间通信选用M-BUS总线。

2.3 系统方案简介

基于zigbee无线网络的热量表管理系统，热量表通过M-BUS总线连接到M-BUS数据采集器，然后通过Zigbee网络无线传输到管理中心。为了实现远程监控，设置一个GPRS模块与Zigbee协调器通信。

3.无线热量表管理系统设计

本无线抄表管理系统主要功能是对用户热量表数据采集存储，可对用户热量表进行远程通断操作，并实现远程温度可控。系统主要包含3部分：用户热量表、Zigbee网络、管理中心。统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

3.1 用户热量表

用户热量表，取暖管道上按装可控阀门，由热量表主控芯片控制驱动电路驱动电磁阀，当出现欠缴费或者其他特殊情况时，可远程实现开关阀门。另外在用户热量表有温度采集装置，当回水温度达到预设定温度时控制阀门，通过调节控制阀的角度让回水温度基本保持恒定，保证整个小区的采暖均匀。用户热量表通过M-BUS总线连接到M-BUS抄表器。

3.2 Zigbee网络

Zigbee网络分为：Zigbee数据采集器、Zigbee数据中转器和Zigbee数据集中器三部分。Zigbee无线模块主芯片采用TI公司推出的高性能、低功耗芯片CC2530F256，组建小区无线局域网，保证数据安全可靠的传输和系统的稳定运行。

3.2.1 Zigbee数据采集器

Zigbee数据采集器，集成了M-BUS抄表器和Zigbee终端节点，主要任务包括数据采集、数据无线通信、电压检测和休眠4个事件，结构图如图2所示。

图2 Zigbee数据采集器

数据采集和休眠：Zigbee终端节点通过串口与M-BUS抄表器通信，获取用户热量表的信息，无线上传到数据中转器。Zigbee数据采集器节点采用电池供电，平时处于定时休眠模式，这种工作模式极大的延长了电池的使用寿命。

电源模块和电压检测模块：由于充电电池输出电压3.7V，而Zigbee模块主芯片CC2530的供电电压为2V～3.6V，选择CAT6219―330设计的稳压电路给系统供电。Zigbee网络节点均采用电池供电，电量会逐渐降低，必须对供电电池进行电压检测。系统采用HT7027电压监测芯片，实现对电池电量欠压的检测，电路图如图3所示[2]。

图3 电源电路和电压检测电路

时钟模块电路：采用时钟芯片DSl302，用来记录数据采集的日期和时间，便于工作人员查询和分析数据。DS1302功耗低、电路简单，非常符合Zigbee数据采集器的要求。

3.2.2 Zigbee数据中转器

Zigbee数据中转节点为了保证Zigbee网络数据的可靠传输距离，增大网络覆盖面积，增加了RF功率放大电路，并有外扩存储器，用来暂存数据[3]。功率放大芯片选择Ti公司官方推荐的的CC2591。如果小区范围比较小，可以省略Zigbee数据中转器，降低系统的复杂度，增强系统的可控性。

3.2.3 Zigbee数据集中器

Zigbee数据集中器主要包括Zigbee协调器、GPRS模块和主控MCU三部分，结构图如图7所示。Zigbee协调器负责整个小区无线局域网的组建和最优化路由选择，当网络中有数据采集器添加或者删除时，Zigbee协调器会自动调整，建立新的优化路由，使上位机面对一个完全透明的网络。Zigbee协调器将整个网络的数据进行汇总，直接传送到小区管理中心或者通过GPRS模块传送到远程监控中心。

图4 Zigbee数据集中器

主控MCU，采用TI公司的超低功耗芯片MSP430F149，通过SPI与CC2530无线模块进行通信，通过串口与GPRS模块通信。GPRS模块，选择SIMCOM公司生产低功耗、性能稳（下转第37页）（上接第35页）定的SIM900，必须使用SIM卡，并开通GPRS业务，所以需要承担一定的费用。电路图如图5所示。

图5 GPRS模块电路图

图6 系统基本应用过程

3.3 管理中心

管理中心，管理员利用连接网络的电脑，通过上位机控制热量表系统，可以对任意的用户热量表进行数据采集和远程通断操作。系统一般采用定时抄表，可以根据实际情况改变抄表的时间，系统把采集到的数据自动存入数据库并备份，可以为用户提供详细的打印报表。系统提供安全的财务软件接口，并实时的进行数据交换，具有收费对账和收费转结功能。如果用户出现趋于欠费或者已欠费情况，上位机会明确显示，如果是用户恶意拖欠，管理者可以将用户的取暖管道远程关断，直到用户补齐所有费用，再远程打开管道。如果管理者需要更换IP地址，可以给GPRS模块的SIM卡发送更换IP地址短信，格式如“管理密码+新IP地址”给GPRS模块，完成IP地址的更换。

4.系统工作流程

系统基本工作过程，主要分为Zigbee网络初始化、热量表数据采集、GPRS远程数据传输和上位机远程控制，系统的基本应用过程如图6所示。

Zigbee网络初始化，Zigbee协调器负责网络的组建和管理，允许节点的加入和撤销。节点上电并初始化，按预设定频道搜索网络，当搜索到网络后申请加入网络，并将自己的节点ID发送给Zigbee协调器。Zigbee协调器接收节点ID后添加节点，并更新网络。用户热量表信息采集有两种方式：定时循环采集、工作人员发送命令采集。一般采用定时循环采集，Zigbee数据采集器一般处于休眠。当Zigbee数据集中器接到上位机的指令时，无法直接下达给Zigbee数据采集器，先把指令进行存储，当Zigbee数据采集器醒来之后，首先必须向Zigbee数据集中器发送询问消息，来获取控制指令。

GPRS通信，设定SIM900参数、建立TCP/IP连接和传送数据都是通过AT指令来实现的。AT指令以AT开头，以回车作为结尾；每条指令是否成功执行都有相应的响应返回。主控芯片MSP430F149通过串口与SIM900通信，SIM900的TCP/IP功能系统采用透传模式。透传模式下，SIM900串口接收到的数据均被看作是数据包，而不是AT指令。命令模式与数据模式可以相互切换[4]。

5.结束语

Zigbee组建的短距离无线局域网络结合GPRS远程通信技术，使无线抄表管理系统数据传输可靠、准确迅速、安装方便、管理简单。Zigbee网络扩展性强，系统自行处理表具的添加和删除。GPRS网络的远程数据传输弥补了Zigbee网络传输距离受限的缺陷。该系统同样可以应用到各类表的远程管理，极大的降低了人力物力成本，从而实现表具管理的智能化。

参考文献

[1]商莹，郭静.基于ZigBee的无线抄表系统[J].华章，2011， 16.

[2]吴祥，康戈文.ZigBee的远程低功耗灌溉控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2013，13.

[3]冯军，宁志刚，阳璞琼.基于ZigBee的无线抄表系统设计[J].电力自动化设备，2010，8.

[4]王昆，陈晰志.基于GPRS的地下水动态水位监测系统研究[J].计算机测量与控制，2011，19.

作者简介：张健，男，山东潍坊人，硕士研究生，现就读于山东大学控制科学与工程学院，主要从事嵌入式硬件和软件研发。

通讯作者：姚福安，教授，研究方向：现代电子技术及应用、计算机控制技术、电力电子技术、EDA技术应用。