周 鑫 朱向東 于秀波

(西安科技大學電氣與控制工程學院1，陜西 西安 710054;西安電子科技大學機電工程學院2，陜西 西安 710071)

0 引言

近年來，隨著我國電子技術和網(wǎng)絡通信技術的高速發(fā)展，越來越多的新技術，特別是無線數(shù)據(jù)傳輸技術，已經(jīng)應用于自動抄表系統(tǒng)中［1］。作為無線傳感網(wǎng)絡的代表，ZigBee無線抄表系統(tǒng)具有采集穩(wěn)定、可靠、安裝費用低、維護簡單、無需租用公網(wǎng)等其他無線數(shù)據(jù)傳輸技術無法比擬的優(yōu)勢。ZigBee網(wǎng)絡可容納65000個節(jié)點［2－6］，在一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在多個ZigBee網(wǎng)絡［2］。但經(jīng)過測試，終端節(jié)點的個數(shù)不宜太多，否則將加重協(xié)調器的負擔，誤碼率和丟包率也會明顯增加，從而降低網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定性。

基于ZigBee網(wǎng)絡技術，設計了一個無線抄表系統(tǒng)。針對網(wǎng)絡覆蓋范圍要求較大的情況，提出了“一區(qū)多網(wǎng)”的方案，并在原有ZigBee模塊的基礎上增加了低噪聲RF前端放大器，以提升有效通信距離。試驗表明，該系統(tǒng)的有效通信距離達到1 km，能夠很好地滿足實際需要。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)的硬件組成主要包括數(shù)據(jù)采集器、中繼器、帶GPRS的區(qū)域集中器這3個部分。

區(qū)域集中器負責組建本區(qū)域的ZigBee網(wǎng)絡。在成功建立網(wǎng)絡后，區(qū)域集中器收集該區(qū)域內(nèi)所有中繼器轉發(fā)的熱力表數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行匯總，最終通過GPRS將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗崃芾碇行模?］。ZigBee的自組網(wǎng)功能減少了GPRS的數(shù)量。每個區(qū)域只需使用一個GPRS模塊對熱量表的數(shù)據(jù)進行集抄，取代了以往一表一ZigBee模塊或一總線一GPRS模塊的抄表方案，大大節(jié)約了使用成本。

中繼器負責擴展網(wǎng)絡的覆蓋范圍，它在數(shù)據(jù)傳輸過程中起到了“接力棒”的作用。在一些復雜的環(huán)境條件下，集中器與終端采集節(jié)點無法直接進行通信，此時就需要信號的中繼和數(shù)據(jù)的轉發(fā)，以保證自動抄表網(wǎng)絡穩(wěn)定通暢。同時，路由還能夠自愈ZigBee網(wǎng)絡，如果某個無線連接斷開了，路由功能可以自動尋找一條新的路徑，這就大大地提高了網(wǎng)絡的可靠性，這也是ZigBee網(wǎng)絡的一個關鍵特性。

數(shù)據(jù)采集器一般向下與儀表進行通信，通過儀表總線對住戶的儀表數(shù)據(jù)進行集抄;向上則是與中繼器進行通信，將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡上傳至協(xié)調器。終端節(jié)點只具有應用功能，因此，只能加入已經(jīng)建立的網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)采集器平時處于休眠狀態(tài)，在收到協(xié)調器的抄表指令后，按照指令要求，進行數(shù)據(jù)采集和上傳。

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Block diagram of the overall system

2 一區(qū)多網(wǎng)的拓撲結構

對于ZigBee網(wǎng)絡來說，拓撲結構的選擇十分重要。考慮到實際需求，網(wǎng)狀(mesh)網(wǎng)絡的容錯能力強、自適應力好，但其復雜度也最高，容易造成網(wǎng)絡運行不穩(wěn)定;星型網(wǎng)絡具有結構簡單和低功率等特點，但受到距離的限制;樹型網(wǎng)絡則介于兩者之間，在小區(qū)熱力抄表中采用樹型網(wǎng)絡，可以滿足實際需求。

理論上，由于ZigBee協(xié)議采用64位IEEE地址和16位短地址空間，網(wǎng)絡最多能支持65536個邏輯設備。但實際情況并非如此，一旦終端節(jié)點較多，就會使協(xié)調器的負擔過重，長時間工作可能導致網(wǎng)絡癱瘓或者誤碼率增加。因此，可以將整個小區(qū)的ZigBee網(wǎng)絡分成若干個網(wǎng)絡，形成一區(qū)多網(wǎng)。一個網(wǎng)絡設置一個父節(jié)點作為協(xié)調器，這就可以將一個龐大復雜的網(wǎng)絡分解成較為簡單的小網(wǎng)絡。各個網(wǎng)絡的組建都以并行方式進行，互不影響，從而大大減輕網(wǎng)絡中協(xié)調器的負擔。

為避免信號的干擾，對同一區(qū)域不同網(wǎng)絡設備設置不同的信道。在ZigBee協(xié)議棧中，定義了11～26共16個信道，系統(tǒng)可任選其一作為自己的默認信道。協(xié)調器將在其中一個默認信道上建立自己的網(wǎng)絡，路由器和終端節(jié)點也將選擇一個默認信道加入網(wǎng)絡，這就不會出現(xiàn)將網(wǎng)絡1中的設備加入到網(wǎng)絡2中這一現(xiàn)象，從而避免對網(wǎng)絡2運行的干擾。若16個默認信道不夠用，還可以利用 PANID網(wǎng)絡編號，其范圍是0x0001～0xFFFF。通過設置不同的PANID來區(qū)分不同的網(wǎng)絡，從而避免網(wǎng)絡之間的干擾。一區(qū)多網(wǎng)的組網(wǎng)方式減少了各信道的通信負載，有效地改善了信道質量，降低了誤碼率，從而提高了網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定性。

3 硬件設計

在硬件節(jié)點的設計過程中，ZigBee射頻模塊選用了TI公司推出的低功耗片上系統(tǒng)CC2530射頻芯片。與第一代CC2430相比，CC2530的功耗更低，最大通信距離為400 m。其強大的地址識別和數(shù)據(jù)包處理引擎，能夠很好地匹配RF前端，封裝更小，并支持ZigBee PRO和ZigBee RF4CE。

3.1 終端節(jié)點硬件設計

由于CC2530本身的發(fā)送功率較小(4.5 dBm)。接收信號的靈敏度有限，因此實測距離最多只能達到200 m左右，整個網(wǎng)絡覆蓋范圍較小。為了滿足實際工程需要，對節(jié)點性能進行優(yōu)化，以增加網(wǎng)絡覆蓋范圍。因此，在已有的節(jié)點上增加了一個CC2591射頻前端，從而提高了發(fā)送功率和接收的靈敏度。改進后節(jié)點的最大輸出功率可達到22 dBm，靈敏度可以提高6 dBm，發(fā)射電流只有100 mA。低功耗模式時的發(fā)射電流只有0.2 μA，而且也無需增加ZigBee路由模塊的數(shù)量。測試表明，終端節(jié)點通信距離可達到1 km左右，其硬件框圖如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點硬件框圖Fig.2 Hardware structure of the terminal node

儀表總線的通信接口采用的是RS-232，而CC2530的電平為TTL，所以需要一個MAX3232芯片作為電平轉換［7］，與 CC2530 的 P0.2和 P0.3管腳相連。

傳統(tǒng)的CC2530片上系統(tǒng)射頻前端設計采用的是巴倫電路。該電路由電感和電容構成，而電感和電容組成的巴倫匹配電路受其參數(shù)大小、放置位置、電路板過孔、厚度及材料的影響較明顯，可控性較差。為了進一步提高硬件的性能，本設計采用一個6腳巴倫低通濾波芯片2450BM15A0002取代傳統(tǒng)的分立原件。這就簡化了射頻前端的設計，縮小了PCB板的尺寸。與傳統(tǒng)分離式元件的設計相比，該設計能夠進一步降低電磁干擾(electro-magnetic interference，EMI)，提高ZigBee模塊的性能。

3.2 區(qū)域集中器硬件模塊設計

在實際應用中，集中器需要完成網(wǎng)絡的維護、數(shù)據(jù)的上傳、命令的下達、系統(tǒng)的檢測和管理等功能，其硬件結構如圖3所示。其中，區(qū)域集中器要將整個區(qū)域的數(shù)據(jù)進行匯總、壓縮、打包，計算量較大。核心處理器采用TI公司的MSP430F149單片機［8］，并在外部擴展了一片AT45DB041串行Flash外部存儲器。

圖3 區(qū)域集中器硬件框圖Fig.3 Hardware of regional concentrator

GPRS模塊利用SIM卡提供GPRS網(wǎng)絡服務，將協(xié)調器節(jié)點采集到的儀表數(shù)據(jù)上傳到熱力管理中心。利用串行接口，協(xié)調器可以直接與上位機相連，完成數(shù)據(jù)傳輸。若PC機沒有串口，則可以利用USB接口部件同協(xié)調器節(jié)點相連，完成數(shù)據(jù)通信。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 中繼器的軟件設計

中繼器程序流程如圖4所示。

圖4 中繼器程序流程圖Fig.4 Flowchart of repeater program

初始化完成后，路由會首先對周圍的環(huán)境進行一個信道能量掃描。當發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡后，路由會周期性地向周圍廣播beacon request尋求協(xié)調器的回復。一旦協(xié)調器接收到路由請求，就會發(fā)送一個Superframe來實現(xiàn)網(wǎng)絡中設備的同步工作;然后，為路由分配一個16位的網(wǎng)絡地址，使路由成功加入網(wǎng)絡。此后，路由也可以成為其他設備的父節(jié)點，進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。

4.2 區(qū)域集中器的軟件設計

當以協(xié)調器為中心的ZigBee網(wǎng)絡構建成功后，熱力管理平臺通過GPRS網(wǎng)絡下發(fā)抄表指令，通過ZigBee網(wǎng)絡進行抄表。當數(shù)據(jù)送達后，集中器將采集到的本區(qū)域的儀表數(shù)據(jù)按照協(xié)議打包、壓縮，并通過GPRS網(wǎng)絡將其發(fā)送到熱力管理平臺。區(qū)域集中器程序設計流程如圖5所示。

圖5 區(qū)域集中器程序流程圖Fig.5 Flowchart of regional concentrator

4.3 終端節(jié)點的軟件設計

終端節(jié)點成功加入網(wǎng)絡后，收到協(xié)調器發(fā)送的數(shù)據(jù)采集指令，進行數(shù)據(jù)采集。當采集數(shù)據(jù)完成以后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調器，等待確認消息。當超過最大等待時間時，重新發(fā)送數(shù)據(jù);接收到確認消息后，完成本次數(shù)據(jù)采集過程，等待下一次數(shù)據(jù)采集指令。終端節(jié)點程序設計流程如圖6所示。

圖6 終端節(jié)點程序流程圖Fig.6 Flowchart of terminal node

5 試驗結果

為驗證系統(tǒng)的可靠性，將同一區(qū)域的4個ZigBee網(wǎng)絡采集的熱力表的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送至熱力管理平臺。經(jīng)統(tǒng)計，系統(tǒng)第一次集抄成功率為97%，第二次集抄成功率達到99.9%。

6 結束語

本文提出并設計了一種基于ZigBee技術的遠程無線抄系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)組成結構、軟硬件設計等方面介紹了ZigBee無線網(wǎng)絡在小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)上的應用。根據(jù)大型小區(qū)的實際情況，提出將一個大型復雜的ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡通過16個不同的信道或PANID劃分成為若干個不同的網(wǎng)絡，從而大大減輕網(wǎng)絡協(xié)調器的負擔，提高網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)無線抄表系統(tǒng)提供了一種靈活、方便、可行的方案，具有一定的使用價值和經(jīng)濟價值［5］。

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