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利用ZigBee近程雙向無線網絡和GPRS分組交換系統，設計了一個遠程電力抄表系統。對單元樓道內住戶的電表數據采用ZigBee網絡收集，而從單元樓到電力公司抄表中心的遠程數據傳送則由GPRS來完成。具有簡單、易維護及管理方便等特點。 系統總體架構 系統總體架構如圖1所示，主要包括：終端模塊、網關模塊和遠程服務器三部分。在一個局部范圍內采用ZigBee的無線數據傳輸技術，將各個電表通過通信口與Zigbee RFD（簡化功能設備））模塊進行有線的連接通信，構成一個終端模塊，根據路由算法選擇最優的通信路徑，把電表數據收集到一個ZigBee/GPRS網關中，然后借助GPRS的遠程無線通信技術，把獲得的數據信息送到遠程的服務器，同時，遠程的服務器可訪問和控制任何一個ZigBee網絡中的設備，來實現遠程控制的功能。 圖1 系統架構圖 硬件設計 1 終端模塊設計 終端的處理器模塊和無線通信模塊采用一片CC2430芯片。CC2430是TI公司生產的新一代2.4GHz射頻系統單片機，片內整合了RF收發器，增強型8051MCU、64KB的Flash內存、8KB的RAM、2個USART等大量電路，只需極少的外圍電路即可實現信號的收發功能。其硬件圖如圖2所示。電路中的非平衡變壓器由電容C4和電感L1、L2、L3以及一個PCB微波傳輸線（兩個等效的λ/2電阻）組成，整個結構滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。系統只需外接一片MAXIM公司的MAX3485芯片，進行UART和RS-485的電平轉換，以完成和電表的通信。 圖2 終端模塊硬件原理圖 注意，系統使用3V紐扣電池供電，功耗很低（接收數據時為27mA，發送數據時為25mA）。MAX3485也是低功耗芯片，和CC2430的電壓等級兼容。 2 網關節點設計 網關節點主要芯片包括一片CC2430和一片MC35i。MC35i是西門子公司生產的新一代GSM/GPRS雙模模塊，支持數據、短信、語音和傳真業務，采用低功耗設計，支持電壓范圍3.3～4.4V，電流消耗僅為3.0mA（睡眠）/10.0Ma（閑置）/300mA（通話，最高2.0A）/100μA（掉電），特別是MC35i的GPRS永久在線功能，提供了最快的數據傳輸速率。 CC2430完成Zigbee網絡中數據的收集、存儲。MC35i通過GPRS網絡把數據發送到遠程服務器上，同時，接收和解析從遠程服務器上傳來的命令信息，來控制整個Zigbee網絡。網關節點還擴展了一片128×64點陣的LCD液晶模塊來完成網絡中信息的顯示。根據需要，還可以外擴一定容量的Flash以滿足存儲程序和數據的需要。外接的RS232接口，支持程序的下載和調試。其硬件框圖如圖3所示。 圖3 網關節點硬件框圖 由于系統的整體硬件原理圖較大，在此省略。 軟件設計 ZigBee網絡具有自組織和自管理的功能。網絡中的節點采用的是動態地址分配的機制。軟件設計主要包括終端模塊的嵌入式軟件部分、網關節點軟件部分以及服務器的管理軟件。 1 終端節點程序流程 終端節點的主要功能就是加入現在的網絡中，讀/寫電表的數據，接收ZigBee網絡傳來的數據和命令，然后根據命令去操作電表。終端設備平時處于“休眠”狀態，只有硬件中斷能夠喚醒它進入工作狀態。硬件中斷分為三類，分別為管理信息中斷、數據信息中斷和底層硬件中斷，系統判斷出不同的中斷類型，轉去執行對應的工作，執行完后又進入“休眠”狀態。如圖4所示。 圖4 終端節點流程圖 2 網關節點程序設計 網關設備是整個ZigBee網絡的核心，一方面擔任起網絡協調器的角色，另一方面還要完成與Web服務器的通信。 首先系統開始啟動，然后初始化所有的硬件和軟件，并組織以自己為協調器的網絡，初始化網絡的深度等網絡有關的信息，然后定時發送信標幀。隨后進入中斷的循環檢測和處理過程，查看是否有中斷信息的到來，如果是來自網絡中某一節點發送的數據中斷，則對此數據進行整理，然后發送給GPRS模塊，通過GPRS網絡發送到遠程的服務器端，并且給網絡中源節點確認信息。如果這個中斷是來自網絡中管理信息的中斷，例如，一個節點申請加入到該網絡當中，則根據整個網絡的容量，給出相應的應答信息給此節點。 注意網關模塊與遠程服務器的通信模式：網關模塊要把數據發送到遠程的服務器，先是通過串口用AT命令集把數據發到GPRS模塊，有GPRS模塊完成數據的發送。當GPRS模塊接收到數據，會通過串口，以中斷的方式告知。通知控制器來處理數據。 3 服務器端接收數據 服務器從指定端口的TCP SOCKET接收電表數據，按照網關設備終端確定的應用層數據格式從各數據報中提取電表數據，最后把接收到的電表數據保存到數據庫的DeviceData字段中。服務器數據庫選用的是SQL Server2000。 低功耗設計 從兩個方面進行了低功耗設計，即本質低功耗設計和控制低功耗設計。 本質低功耗設計是指所使用的電子元器件都采用低功耗類的元器件，其特點是低電壓供電。本系統采用的CC2430、MC35i以及MC3485等都采用的是低功耗芯片。 控制低功耗設計是指在系統工作時通過控制各部分的供電來降低系統總功耗。本系統的終端節點在初始化完畢后即進入休眠狀態，只有在外中斷喚醒它時才進入工作狀態，數據發送完畢后又進入休眠狀態。網關節點由定時器控制定時發送信標幀進行網絡動態管理，接收網絡的中斷信號進行相應的操作，除此之外的其他時間網關節點也進入休眠態。通過對程序的仔細設計，系統可以有80%以上的時間處于休眠態，因此也極大地降低了功耗。 實驗原型系統測試，ZigBee網絡通信成功率98.12%，電池在系統測試運行1個月后幾乎沒有降低，實際使用時可以保證9個月以上的壽命。 結束語 介紹了一種基于ZigBee和GPRS無線網絡的遠程電力抄表系統。利用ZigBee協議簡單、成本低、距離近、動態組網以及GPRS網絡瞬間上網、永遠在線、按量計費、數據傳輸量大的特點，以一個樓道或一棟建筑物為單元組建一個無線局域網，再利用ZigBee/GPRS網關轉換，通過GPRS網絡發送給數據電力公司的抄表中心，較好地解決了現行抄表系統節點眾多、布線復雜、維護不便的問題。終端節點和網關節點所選用的CC2430和MC35i均為行業最具代表性的芯片，功能強大、集成度高且均為低功耗芯片，同時在程序中注重了“休眠”低功耗設計。原型系統通信可靠、耗電極低、抗干擾能力強，其推廣應用前景十分遠大。 |
