Research and Design of A Remote Meter Reading System based on ZigBee
（Aba Teachers College， Wenchuan Sichuan 623002， China）
Abstract：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. Collector 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 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 Acquisition
引言
目前，传统的工作方式面临颠覆性的巨大挑战，已不能满足人们的生活需求和时代发展需要。人工抄表收费的形式即是其典型实例，其实时性差、收费困难及精度低微的弊端早已暴露[1]。随着信息技术水平的不断进步和提高，无线自动抄表技术则备受各方的瞩目和关注，其中最为常见的就是一种低成本、近距离、低复杂度和低传输速率无线射频技术，但同时却仍然具有组网不变、抗干扰能力差、系统稳定性不足、灵活度不高以及节点添加和删除复杂等问题[2-3]。
鉴于此，本文提出了一种基于ZigBee技术和GPRS技术的远程无线抄表系统。ZigBee技术是一种低成本、低功耗、低传输速率的无线网络技术，拥有完整的通信协议栈[4]。网络功能强大，可以实现自我维护、自组网功能，因而具备普通射频无线网络不可比拟的技术优势。该系统能实现用户电能数据的远程抄录，便于电力系统的管理。与此同时，还进一步有着无需布线、数据实时性强、准确性和可靠性高的优点及特性。
1系统的总体结构设计
抄表系统总体结构可分上、中、下三层。其中，下层部分是ZigBee模块的数据采集，该模块中，用户处安装具有RS485总线功能的电能表，并采取主从方式的一对多拓扑结构构成底层。每个RFD模块也就是一个数据采集器，采集器和采集器之间利用网状结构联接。中间层则由ARM处理器和两个无线模块（ZigBee和GPRS）构成数据集中器，上行通过GPRS模块实现电能数据的远程传输，下行即通过ZigBee无线模块收集电能表的电能数据。集中器主要负责连通系统的顶层数据库和底层的采集节点。基于此，上层将作为电力系统的数据库层，其中存储了大量的电能数据。访问则需通过网络并于授权后方可进行，访问权限具体可分为只读权限、数据保存权限、可读可保存权限等。抄表系统总体结构如图1所示。
图1 抄表系统总体结构图
Fig.1 Total structure figure of the meter reading system2系统硬件电路设计
2.1数据采集节点的设计
因采集器是用户设备，即需选择较高性价比的通用器件，设计中本文采用了能实现嵌入式ZigBee应用的单系统芯片CC2430作为无线收发和数据处理的主控模块。其内部整合一颗高性能射频收发器和一颗增强型控制器，可满足2.4GHz的ISM波段的应用。片上系统方案使得CC2430内部结构紧凑而高效，其单硅片整合却可做到RF、数字模式处理、模拟电路和系统存储器的集成。CC2430芯片内部包含有：DMA控制器1个；静态RAM为8k；4个振荡器其功能为系统时钟和定时操作；AES协处理器；18个中断源并且具有4级优先；定时器1个[5]。经过调研分析，系统采用了48个引脚的CC2430，其芯片封装为7mm×7mm QLP，采选依据则基于其具有着无线接收灵敏度高、抗干扰能力强、以及电池检测和温度检测等丰富功能。组装调配后，就采集器的设计实现而言，就是CC2430通过MAX485芯片与带有RS232总线的电表来提供连接，当采集器收到指令后，将启动电表数据采集，采集后再通过ZigBee无线网络将数据发送出去。
2.2集中器节点的设计第2期王宁宁：基于ZigBee的远程无线抄表系统研究与设计智能计算机与应用第5卷
集中器是系统设计的核心，主要任务就是建立新的网络，发送网络的信息指示、管理网络中存在的节点，并进一步翻译信息以及实现存储。集中器模块可分为三个部分，具体解析如下：
（1）ARM主控器。采用S3C2440作为主控芯片，该芯片具备16KB指令Cache和16KB数据Cache/MMU微处理器，SDRAM 控制和片选逻辑，1通道LCD专用DMA，4通道DMA并有外部请求引脚等[6-7]；
（2）ZigBee无线模块。采用的是CC2430芯片，通过无线网络负责底层电能数据的采集，且能结合GPRS模块方便快捷地与电业管理系统的服务器进行交互，也能解析控制命令，进而执行一些相关控制；
（3）GPRS模块。采用SIM300模块，向上传输电能数据，向下传达系统上层指令数据。
另外，为了利于信息的维护和查看，集中器还接入了TFT触摸屏，以实现用户与无线网络的界面交互，方便对系统的操作与处理。集中器节点结构如图2所示。
图2 集中器硬件模块构成
Fig.2 Hardware modules of the concentrator
3软件设计流程
本软件系统主要是结合ZigBee技术与GPRS技术来实现远程无线抄表的设计目的，系统的重点功能就是集中器能自行建立网络、采集器可自动抄表、远程终端命令得以控制和远程自动抄表等。鉴于以上功能需求，系统的软件设计主要分为集中器软件设计和采集器软件设计。具体阐述如下。
3.1集中器节点软件设计
集中器是整个系统的桥梁，可通过GPRS网络下发指令对ZigBee网络中的采集器进行操控。系统采用多进程设计，但是进程大多数时间处于睡眠状态。此时需唤醒进程转入到工作模式，刷新采集器所在的无线网络。采集器收到采集数据命令后，应答网络，其后启动采集任务，即通过RS485总线采集多块电能表数据。守护进程启动以后创建一个链表插入定时抄表时间节点，抄表进程定时节点和数据通信定时节点。设置系统基本定时时长，并且启动抄表进程和数据通信进程。在抄表进程中，监控时间链表和GPRS抄表指令。如果是控制命令，调用控制任务下发指令到采集器节点，如果是数据长传指令，调用数据通信任务经GPRS模块将集中器收集的电能数据上传至顶层服务器。定时时间耗尽判断是否到抄表时间或者收到抄表命令时调用抄表任务来完成数据采集。集中器节点流程如图3所示。
图3 集中器节点流程图
Fig.3 Flow chart of concentrator nodes
3.2采集器节点软件设计
采集器的功能是自动进行抄表，记录电表的数据，监听集中器对激活码和网络信号的发送情况。首先是采集器网络的激活，刷新无线网络判断采集器是否都有应答。如果全部应答，就调用抄表任务进行数据采集；如果部分应答，将重复刷新网络三次。如果还是无法全部应答，则调用抄表任务进行数据采集。而后采集器收到抄表指令，启动采集任务，完成记录时间和日期上传数据到集中器，同时也上传无应答的采集器编号到集中器，从而实现数据的采集。采集器节点流程如图4所示。
图4 采集器节点流程图
Fig.4 Flow chart of collector nodes4结束语
本文设计的基于ZigBee技术的远程无线抄表系统，具有成本低、功耗低、组网便捷的优势，并且能满足用户远程无线抄表的需求。下层通过具有完整协议栈的ZigBee网络进行数据采集，网络能实现自组网功能和自我维护，对于采集器的添加和删除维护成本低且具较大便利。上层通信采用GPRS网络通信，更为稳定并且实时性也较高；在无流量不计费的情况下可以实现系统的永久在线。本系统在维护和安装上都较简单易行，而且能对用户数据进行高效、可靠的远程采集，大大提高抄表的效率。仍需指出，本系统拥有较强的可移植性，不仅在抄表方面呈现了广阔的前景，而且在工程、设备检测等方面也表现有颇高的应用价值。
参考文献：
[1]黄泽界.一种基于ZigBee技术远程无线抄表系统的实现[J].现代电子技术，2014（11）：19-22.
[2]吴成东.智能无线传感器网络原理与应用[M].北京：科学出版社，2011.
[3]卢燕，董爱华.基于无线射频技术的服装零售店管理系统的设计与实现[J].仪表技术，2014（1）：20-26.
[4]鲍卫兵，陈伟杰，朱向军.基于ZigBee的无线抄表系统的设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2013（2）：34-37.
[5]王小强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2013.
[6]薛同莲，施建珍，方靖淮，等.基于Zigbee_SOC技术的无线抄水表系统研究与设计[J].湘潭大学学报（自然科学版），2014（2）：114-117.
[7]周鑫，朱向东，于秀波.ZigBee远程无线抄表系统的设计[J].自动化仪表，2013（3）：31-33.
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5项目创新点
（1） 学校应用。学校应用是本文系统核心部分，通过高校在线课堂的创立，让在线课堂成为学生学习专业的启征点，从而使开放性课堂走入不同专业、不同层次的学生中去。题库的建立有利于形成一个稳定的教学系统，教师可以把课上的教案、课件、实验均置于其中，师生都可随时下载研读，因此构建一个良好的学习实现环境。
（2） 教学信息化管理。PC端管理可以对教师、学生的所有信息实施管理，一旦系统建立起来，还要建立一支学生形成的管理团队，由高校专属部门进行严格管理和工作分配，以实现真正的教育信息化和数字化。
6结束语
移动学习在高等院校中的应用仍然处于起步阶段，具体研发队伍还未臻于成熟和健全，也仍未得到各院校、尤其是民办院校的应有重视，而且老师和学生水平更有待于进一步增强和提高。移动学习平台的设计是集开发、设计于一体的课题科研项目，在规划和设计过程中尚有很多因素需要探讨与解决，今后即需将整体项目按照规划的思路进行和开展下去，保证项目整体的良好、有序实现。
参考文献：
[1]周济，宋浩，曾仲培，等.引入移动学习技术满足学生随时之需—深圳电大移动学习网的构建与应用实践探索[J].中国远程教育，2007，12（2）： 45-46.
[2]樊学东.软件需求分析过程研究[J].中国电子商务，2010（2）：58.
[3]郑明辉.基于UML的需求分析过程研究[J].微机发展，2004（5）：120-123.
[4]吕伟.基于Android移动学习平台的设计与实现[D].南京：南京师范大学，2013.
[5]周辉.基于Android移动学习平台研究与实现[D].成都：电子科技大学，2012.
[6]李国峰.基于Android的移动学习系统研究与开发[D].石家庄：石家庄铁道大学，2013.
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