基于ZIGBEE通信下的自动抄表系统的设计

曹健　陆红燕

摘 要：为了研究ZIGBEE通讯下自动抄表系统，建立了实现ZIGBEE通讯方式的集中器设计，采用的是集总式的通信自动抄表系统，主要由抄表系统管理中心、集中器、网络通讯以及终端等部分组成。硬件部分设计选择了ARM作为控制中心，外围接口则主要有：输入输出、存储系统和通信接口部分。软件设计部分考虑应用的是uC/OSII这种免费公开源代码，设计了休眠、就绪、运行、中断、挂起等状态。这一研究对于嵌入式系统与各种通信形式相结合的数据采集和工业控制等领域有一定的意义。

关键词：ZIGBEE；自动抄表系统；ARM

1 引言

随着上世纪80年代，大规模集成电路的迅速发展，市场上相继出现了很多稳定性好、工作可靠的电能表，其直接推动了自动抄表技术的迅速发展。埃及在1992年开发的住宅电能监视抄表系统，实现了完整信息处理系统，这使抄表工作正式进入到自动化的全新时代。国内由于起步较晚，主流市场的工作人员还是以人工抄表为主，但是自动抄表技术发展的也以非常迅猛的姿态快速发展当中。大量的高校和相关电力企业的研究人员都开始集中关注集中抄表系统的发展、探索。然而，基于ZIGBEE等通讯方式的集中器研究，依然处于一个起步和应用发展缓慢的阶段[1-2]。本文通过自行研究设计的集中器抄表设计，完成了系统的软件设计，这一研究对于自动抄表系统在国内的快速发展会产生一定的应用前景。

2 系统设计

2.1 ZigBee技术

蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。igBee技术具有如下特点：低功耗、成本低、时延短、网络容量大、可靠、安全。ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

建立实现ZIGBEE、红外等通讯方式的集中器设计，对于其高效的实现现场通讯具有显著的作用。实践结果表明，基于红外等通信形式的集中器设计任务相对方便，只需通过API协议就能实现[3-4]。本文选择相对复杂的ZIGBEE通讯方式进行设计，其基本框架如图1所示，采用的是集总式的通信自动抄表系统，主要由抄表系统管理中心、集中器、网络通讯以及终端等部分组成。

ZIGBEE网络在现有的GSM网络通讯中实现的，通过现有的GSM网络中增加节点，如常见的GGSN（Gateway ZIGBEE Supporting Node，ZIGBEE网关支持节点）以及SGSN（Serving GSN，ZIGBEE服务支持节点），其中ZIGBEE网络中GSN是最为重要的网络节点。GSN是指具备移动路由管理和可实现连接各种类型的数据网络，同时还应能够连到ZIGBEE寄存器。GSN是用来实现各种数据网络与移动终端间的格式转换和数据传送。GSN一般分为2中：SGSN（Serving GSN，服务GSN）、GGSN（Gateway GSN，网关GSN）。前一种主要是用于记录移动终端的当前位置信息和完成移动分组数据的接收与发送。后一种是起网关作用，即和多种不同的数据连接。故也有人将GGSN认为是ZIGBEE路由器。利用ZIGBEE在实现数据分组接受和发送的同时，还能降低服务成本，图2就是ZIGBEE的应用模型。

3 硬件设计

图3为本文设计的主控电路，显然这一电路课看成是外围接口和中央处理器部分，设计的处理器选择了ARM作为控制中心，外围接口则主要有：输入输出、存储系统和通信接口部分。

随着嵌入式系统不断应用在工业控制和数据采集等领域，嵌入式芯片及其相应产品的发展也必然成为这一领域发展的原动力。本文在选择上述嵌入式系统基础上，将主要讨论图4所示的ZIGBEE技术下的无线远程自动抄表系统。自动抄表系统是服务商（电力公司等）与用户之间建立的双向通讯通道，这一设计免除了人工抄表带来的经济和人员消耗，还为用户提供更全面的信息化管理的服务，通过改进公司经营水平、提供增值服务等手段更好地为用户提供服务。

4 软件设计

软件设计部分考虑应用的是uC/OSII这种免费公开源代码，利用这一代码可以很好的利用汇编语言实现硬件编程。设计的任务主要分为休眠、就绪、运行、中断、挂起等状态。休眠是指任务存储在内存；就绪即任务已经准备完毕；运行表示处理器正在运行，中断是指当CPU给出命令时任务将暂停，挂起即等待事件。设计的集中器的主要是为了实现数据采集，以及将接收到的信息上传主站。程序设计时需要为ZIGBEE、RS485、232等通信建立对应的通信任务和统一的管理任务。

5 小结

本文设计的了ZIGBEE通信下无线远程自动抄表系统。在搭建硬件平台和设计软件程序后，实现了集中器软件的开发以及模块化编。这一研究对于自动抄表系统的进一步应用和发展将产生一定的帮助和示范意义。

[参考文献]

[1]邹宽明.CAN总线原理和应用系统设计（第一版）.北京：北京航空航天大学出版社，2000.

[2]马维华.基于敌障检铡的新型集中抄表系统硬件设计.小型微型计算机系统，2004，25（4）：770-773.

[3]Etienne Moulin Measuring Reactive Power in Energy Meters[Jl Metering International.2002，10（1）：489-490.

[4]广东省电网公司.广东电网公司低压电力用户集中抄表系统集中器订货及验收技术条件（试行），广州：广东省电两公司.2006-5.16.