基于Zigbee和3G无线网络的智能电表系统设计

国机集团科学技术研究院有限公司 郑源滨

近年来，随着移动通信网络与物联网技术的不断发展和融合，基于“3G物联网云端平台”的产品方案在不断被提出和实现。其中，使用传感器技术、射频识别技术、网络通信技术、嵌入式开发技术的网络产品，越来越广泛地应用于工业生产、轨道交通、智能家居、环境监控等各个领域中。

3G技术（第三代移动通信）是融合了多媒体告诉通信的新一代移动网络系统技术，其升级的软硬件设备支持高速的数据传输，目前存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。

Zigbee是一种短距离、低速率的无线传感器网络技术，基于IEEE 802.15.4无线标准，使用免费的2.4GHz通信频段，具有自诊断、自组织网络、自动路由、网络自愈等功能和优点[1]。

GAE（Google App Engine）是一个Google管理中心用于Web应用程序开发和托管的云平台，支持Google云计算和互联网服务引擎操作，并具有专有数据库，提供稳定免费的网站空间[2]。

为了使得物联网和移动通信网能够结合，发挥信息网络IT技术更大的作用，本文基于“Zigbee传感网”和“3G互联网”技术，以智能仪表无线抄表为背景，设计了一种新型智能电表数据采集系统。并且在上位机服务器中，使用GAE服务引擎开发互联网应用程序，实现服务型网站的基础功能。

1.系统概述

智能电表数据采集系统总体设计如图1所示。

智能电表数据采集系统由三层结构组成，第一层使用Zigbee智能电表作为数据终端；第二层使用3G无线集中器网关作为连接设备，集中器利用3G上网方式进入Internet，访问服务器网站。第三层使用服务器网站作为管理中心平台，对集中器进行远程的响应和操作，方便电力公司和其他专业公司的应用。系统主要实现了电表无线自动抄表和信息管理等功能，核心组件由以下三部分构成。

图1 系统总体设计框图

图2 电表数据采集电路

图3 无线zigbee接口电路

图4 集中器总体设计框图

图5 SIM5218模块接口电路

1.1 Zigbee智能电表

基于Zigbee技术设计的智能电表，兼容了无线抄表的功能。它利用CC2430单片机，接收电能计量模块ADE7755的脉冲量信号，利用Zigbee无线网络通信方式，可将测量数据定时上传，中断响应上位机实时抄表、命令下载执行等功能[3]。

1.2 无线3G集中器网关

集中器网关的功能在于建立电表与管理系统的异构网络互联。网关通过Zigbee网络从智能电表中采集数据，将采集信息通过3G网络上传至网络服务器，同时应答服务器的相关命令。集中器带有SIM卡接口和人机界面，支持网络运营商提供的其他3G相关业务。

1.3 管理系统网站

图6 总体程序流程图

图7 集中器通信程序流程图

管理系统网站是上位机服务器管理中心，提供扩展的信息管理业务。它利用Google的软硬件平台，提供良好的运行环境。网站基于Spring MVC框架，使用异步JavaScript和XML技术开发网页，优化用户界面，提高服务器性能。另外，GAE提供丰富的资源如E-Mail接口，方便用户开发扩展功能。

2.硬件设计

系统硬件设计的核心是Zigbee智能电表和无线3G集中器网关的硬件设计。

2.1 Zigbee智能电表硬件设计

相比于传统的支持DL/T645-2007规约RS-485总线型电表，Zigbee智能电表功耗低、布置方便、

克服远程布线带来的缺陷，还兼容抄表器的功能。

Zigbee智能电表以CC2430作为核心控制芯片。CC2430作为支持SoC片上系统解决方案的控制芯片，支持Zigbee基础的2.4GHz ISM波段应用。内置的8051内核可以方便ADE7755单相表计量芯片与51单片机之间的硬件设计的移植，并支持软件的一致性设计。其中，ADE7755电能计量数据采集电路原理如图2所示。

在实现Zigbee基本节点的功能之后，为了使节点能够在多变的环境下稳定通信，需要加大网络节点的通信距离和收发功率。其中，CC2591是一款2.4GHz频段无线应用的高效RF前端，它能够通过功率放大器提升至高达22dBm的输出功率从而增长通信距离以及通信稳定性[4]。由于CC2430与CC2591具有良好的兼容性，两者的连接并不需要复杂的外围电路，电路原理如图3所示。

原理图中，RF_N，RF_P引脚分别与CC2430的对应引脚相连，RXTX引脚与TXRX_SWICTH相连，即实现了传输信号的连接。为了提高高频电路电源的稳定性，在AVDD_PA1，AVDD_PA2，AVDD_LNA放大器的供电电源端口，均并联2个解耦电容，用来高频解耦与低频解耦。BIAS引脚连接4.7k精确偏置电阻，提供参考电流。ANT引脚则外接单端天线。集中器网关的硬件中也采用了该电路作为Zigbee无线网络的接口。

图8 网站与集中器网关通信基本流程

2.2 无线3G集中器网关硬件设计

无线3G集中器网关具有Zigbee和3G网络接口，实现局域网和广域网的互联功能。按照模块化设计的方法，总体设计框图如图4所示。

集中器网关的硬件设计主要分以下部分：

(1)选择ARM9微控制器芯片S3C2440，设计Nor FLASH、Nand FLASH、SDRAM、EERPROM和SD卡存储器电路。(2)设计无线Zigbee接口电路，使用CC2430+CC2591芯片，与S3C2440串口连接。集中器的CC2430作为Zigbee网络的主站，控制Zigbee网络节点的数据传输。(3)设计无线3G接口电路，S3C2440以USB的方式连接SIM5218专用模块，可满足无线数据速率的要求。(4)其他外围电路：如外部看门狗、LED指示灯、拨码开关、串行总线、以太网、JTAG调试接口等。

集中器网关选用SIMCom SIM5218模块，它是一款四频GSM/GPRS/EDGE WCDMA和GPS的组合模块，接口丰富。

控制器SC32440通过USB接口与SIM5218进行通信。SIM5218模块接口电路原理如图5所示。原理图将SIM5218芯片的基本功能引脚引出，包括高速USB接口引脚：USB_D+、USB_D-；串行数据接口引脚：UART_TXD、UART_RXD；SIM卡接口引脚：CARD_CLK、CARD_V、CARD_RST、CARD_DATA；以及音频引脚MIC_N、MIC_P、MIC_IN。原理图使用了SIM5218普通I/O引脚，GPIO1：输出信号，控制三极管Q1，导通/关闭LED，越来指示3G通信网络的状态。GPIO3：输入信号，作为控制器的请求信号量REQ_IT，当输入有效时，说明控制器已准备好数据传输。GPIO5：输出信号，作为SIM5218的请求信号量S_RTS，当输出有效时，说明SIM5218已准备好数据传输。

3.嵌入式软件设计

嵌入式软件设计主要包括Zigbee智能电表固件和无线3G集中器网关固件设计。本文重点阐述集中器网关的软件设计。

3.1 内核驱动程序设计

集中器网关应用了嵌入式Linux操作系统作为开发平台。Linux内核驱动程序主要为USB驱动、USB转串口驱动和PPP拨号驱动程序。由于Linux内核提供了USB core子系统来处理USB设备大部分的复杂工作，主要工作在于驱动程序和USB core的接口设计，以设备的接口提供的功能为基础进行USB驱动程序的编写。在完成函数调用后，将相应的USB驱动提交给设备模型，添加到USB总线的驱动链表里即可。

3.2 集中器管理任务设计

在完成内核驱动程序设计之后，集中器Linux系统启动3G拨号上网程序，将自身IP注册到运营商服务器其中，之后定时启动socket套接字 通信任务，按照已经注册的IP和端口号，建立基于TCP的可靠性连接，完成与服务器的握手。由于SIM5218自动支持7.2Mbps的下行速度及5.76Mbps的上行速度服务，因此传输速率不是限制系统通信效率的因素。

集中器在与管理系统完成握手连接之后，启动应用程序，之后执行中断处理程序，主要包括：Zigbee串口中断处理服务程序、3G中断处理服务程序和设备中断处理服务程序分别完成，分别完成Zigbee电表节点数据采集、3G数据发送与接收、人机界面操作与显示的功能。应用程序的总体设计框图，如图6所示。Linux环境下中断服务程序设计面向对象，只要确定中断触发条件，并将中断服务程序注册到系统中即可。

3G数据通信由集中器网关发起，以定时器中断的方式进行。每隔一段时间（可设置），集中器开启Zigbee网络，轮询节点电表的电量信息，并与原有的记录进行对比，若发生变化，首先分析其变化范围是否合理，若在计算算法的合理范围内，则将历史记录修改，并启动3G通信数据传输过程。

集中器网关完整的数据通信流程如下图7所示。此为基于客户端的通信程序流程图，其中，网络服务器地址是固定的，由管理系统统一分配。

4.管理系统网站设计

管理系统网站可以设置在电力公司大楼或小区物业管理中心，除了完成无线抄表功能外，还可以作为一个宣传、加强公司客户沟通的平台。用户可以通过各种终端设备登陆网站获取想要的信息。

基于服务器端的网站基本数据通信流程如下图8所示。通信数据格式采用HTTP报文协议。当集中器定时发起3G数据传输时，网络服务器接收集中器发来的数据，首先进行数据来源验证，其次拆包数据进行校验，若通过则将数据记录在对应的数据实体，并保存至数据库中，最后返回一个状态代码，该状态代码流程基于W3C标准HTTP协议状态代码实现。

服务器系统处理动作如下：(1)当网址不存在、服务器存在错误时，系统结束通信并返回错误状态代码；(2)当服务器对报文数据校验出错、服务器保存出错、报文请求超时，系统要求集中器重传；(3)当集中器成功上传数据并通过验证和校验时，系统结束并返回准确状态代码，数据更新至后台数据库中；(4)当服务器收到报文请求，但身份验证信息不正确，系统报告服务器出错设备ID。

集中器设备采用HTTP协议传输数据，数据内容采用json方式，并存储到HTTP报文中。数据校验采用CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验码)方式，确保数据正确传输。集中器设备使用REST方式访问接口，通过一般Response答复机制，查看代码中异常处理返回值的状态。

5.总结

本文重点研究了基于Zigbee和3G技术的无线智能电表数据采集系统，研发了Zigbee无线智能电表、具有3G网络接口和Zigbee网络接口的集中器设备及其管理系统网站。该系统结合自定义的智能电表串口接入协议，采用嵌入式Linux操作系统作为开发平台，主要实现集中器数据采集、拨号上网和与网络服务器的3G数据通信功能。

管理系统设计采用Spring技术作为主框架，GAE作为系统引擎；采用Cron技术实现邮件传递，GWT及Spring MVC技术完成界面显示，并使用JCache提高页面访问速度。通过整合GWT和XMPP通信模块，扩展了管理系统的功能，可实现论坛、微博以及在线用户聊天等功能。

[1]李文仲,段朝玉.Zigbee 2006无线网络与无线定位实战[M].北京航空航天大学出版社,2008:5-7.

[2]胡泉,胡金柱,谢芳.基于GAE的专业服务网信息获取技术研究[J].电信科学,2011(12):21-22.

[3]周军,史兴才,徐超.基于ZigBee的多用户智能电表设计[J].电测与仪表,2010(01):57-58.

[4]黄玉立,童玲,田雨.基于CC2531+CC2591的WSN节点通信模块设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2011(01):71-72.