周 鑫 朱向東 于秀波

(西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院1，陜西 西安 710054;西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2，陜西 西安 710071)

0 引言

近年來，隨著我國電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的新技術(shù)，特別是無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用于自動(dòng)抄表系統(tǒng)中［1］。作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的代表，ZigBee無線抄表系統(tǒng)具有采集穩(wěn)定、可靠、安裝費(fèi)用低、維護(hù)簡(jiǎn)單、無需租用公網(wǎng)等其他無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納65000個(gè)節(jié)點(diǎn)［2－6］，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)［2］。但經(jīng)過測(cè)試，終端節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)不宜太多，否則將加重協(xié)調(diào)器的負(fù)擔(dān)，誤碼率和丟包率也會(huì)明顯增加，從而降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)無線抄表系統(tǒng)。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)上增加了低噪聲RF前端放大器，以提升有效通信距離。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的有效通信距離達(dá)到1 km，能夠很好地滿足實(shí)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(gè)部分。

區(qū)域集中器負(fù)責(zé)組建本區(qū)域的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。在成功建立網(wǎng)絡(luò)后，區(qū)域集中器收集該區(qū)域內(nèi)所有中繼器轉(zhuǎn)發(fā)的熱力表數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)區(qū)域只需使用一個(gè)GPRS模塊對(duì)熱量表的數(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)責(zé)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜的環(huán)境條件下，集中器與終端采集節(jié)點(diǎn)無法直接進(jìn)行通信，此時(shí)就需要信號(hào)的中繼和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，以保證自動(dòng)抄表網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定通暢。同時(shí)，路由還能夠自愈ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如果某個(gè)無線連接斷開了，路由功能可以自動(dòng)尋找一條新的路徑，這就大大地提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，這也是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵特性。

數(shù)據(jù)采集器一般向下與儀表進(jìn)行通信，通過儀表總線對(duì)住戶的儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行集抄;向上則是與中繼器進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳至協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)只具有應(yīng)用功能，因此，只能加入已經(jīng)建立的網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集器平時(shí)處于休眠狀態(tài)，在收到協(xié)調(diào)器的抄表指令后，按照指令要求，進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)于ZigBee網(wǎng)絡(luò)來說，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇十分重要。考慮到實(shí)際需求，網(wǎng)狀(mesh)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力強(qiáng)、自適應(yīng)力好，但其復(fù)雜度也最高，容易造成網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行不穩(wěn)定;星型網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和低功率等特點(diǎn)，但受到距離的限制;樹型網(wǎng)絡(luò)則介于兩者之間，在小區(qū)熱力抄表中采用樹型網(wǎng)絡(luò)，可以滿足實(shí)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(luò)最多能支持65536個(gè)邏輯設(shè)備。但實(shí)際情況并非如此，一旦終端節(jié)點(diǎn)較多，就會(huì)使協(xié)調(diào)器的負(fù)擔(dān)過重，長(zhǎng)時(shí)間工作可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓或者誤碼率增加。因此，可以將整個(gè)小區(qū)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)分成若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)，形成一區(qū)多網(wǎng)。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置一個(gè)父節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器，這就可以將一個(gè)龐大復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)分解成較為簡(jiǎn)單的小網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建都以并行方式進(jìn)行，互不影響，從而大大減輕網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器的負(fù)擔(dān)。

為避免信號(hào)的干擾，對(duì)同一區(qū)域不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)置不同的信道。在ZigBee協(xié)議棧中，定義了11～26共16個(gè)信道，系統(tǒng)可任選其一作為自己的默認(rèn)信道。協(xié)調(diào)器將在其中一個(gè)默認(rèn)信道上建立自己的網(wǎng)絡(luò)，路由器和終端節(jié)點(diǎn)也將選擇一個(gè)默認(rèn)信道加入網(wǎng)絡(luò)，這就不會(huì)出現(xiàn)將網(wǎng)絡(luò)1中的設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)2中這一現(xiàn)象，從而避免對(duì)網(wǎng)絡(luò)2運(yùn)行的干擾。若16個(gè)默認(rèn)信道不夠用，還可以利用 PANID網(wǎng)絡(luò)編號(hào)，其范圍是0x0001～0xFFFF。通過設(shè)置不同的PANID來區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)，從而避免網(wǎng)絡(luò)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(fù)載，有效地改善了信道質(zhì)量，降低了誤碼率，從而提高了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 硬件設(shè)計(jì)

在硬件節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(qiáng)大的地址識(shí)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(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

由于CC2530本身的發(fā)送功率較小(4.5 dBm)。接收信號(hào)的靈敏度有限，因此實(shí)測(cè)距離最多只能達(dá)到200 m左右，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較小。為了滿足實(shí)際工程需要，對(duì)節(jié)點(diǎn)性能進(jìn)行優(yōu)化，以增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。因此，在已有的節(jié)點(diǎn)上增加了一個(gè)CC2591射頻前端，從而提高了發(fā)送功率和接收的靈敏度。改進(jìn)后節(jié)點(diǎn)的最大輸出功率可達(dá)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(shí)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(cè)試表明，終端節(jié)點(diǎn)通信距離可達(dá)到1 km左右，其硬件框圖如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)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(gè)MAX3232芯片作為電平轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)采用的是巴倫電路。該電路由電感和電容構(gòu)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(jìn)一步提高硬件的性能，本設(shè)計(jì)采用一個(gè)6腳巴倫低通濾波芯片2450BM15A0002取代傳統(tǒng)的分立原件。這就簡(jiǎn)化了射頻前端的設(shè)計(jì)，縮小了PCB板的尺寸。與傳統(tǒng)分離式元件的設(shè)計(jì)相比，該設(shè)計(jì)能夠進(jìn)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(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，集中器需要完成網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)、數(shù)據(jù)的上傳、命令的下達(dá)、系統(tǒng)的檢測(cè)和管理等功能，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，區(qū)域集中器要將整個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、壓縮、打包，計(jì)算量較大。核心處理器采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)［8］，并在外部擴(kuò)展了一片AT45DB041串行Flash外部存儲(chǔ)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(luò)服務(wù)，將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(diào)器可以直接與上位機(jī)相連，完成數(shù)據(jù)傳輸。若PC機(jī)沒有串口，則可以利用USB接口部件同協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連，完成數(shù)據(jù)通信。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 中繼器的軟件設(shè)計(jì)

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(huì)首先對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行一個(gè)信道能量掃描。當(dāng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后，路由會(huì)周期性地向周圍廣播beacon request尋求協(xié)調(diào)器的回復(fù)。一旦協(xié)調(diào)器接收到路由請(qǐng)求，就會(huì)發(fā)送一個(gè)Superframe來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的同步工作;然后，為路由分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址，使路由成功加入網(wǎng)絡(luò)。此后，路由也可以成為其他設(shè)備的父節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

4.2 區(qū)域集中器的軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)以協(xié)調(diào)器為中心的ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成功后，熱力管理平臺(tái)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)下發(fā)抄表指令，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抄表。當(dāng)數(shù)據(jù)送達(dá)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(luò)將其發(fā)送到熱力管理平臺(tái)。區(qū)域集中器程序設(shè)計(jì)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(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)后，收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)采集指令，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)采集數(shù)據(jù)完成以后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，等待確認(rèn)消息。當(dāng)超過最大等待時(shí)間時(shí)，重新發(fā)送數(shù)據(jù);接收到確認(rèn)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(diǎn)程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

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

5 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，將同一區(qū)域的4個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(tái)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)第一次集抄成功率為97%，第二次集抄成功率達(dá)到99.9%。

6 結(jié)束語

本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程無線抄系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)等方面介紹了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)在小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)上的應(yīng)用。根據(jù)大型小區(qū)的實(shí)際情況，提出將一個(gè)大型復(fù)雜的ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通過16個(gè)不同的信道或PANID劃分成為若干個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)，從而大大減輕網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的負(fù)擔(dān)，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值［5］。

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