ZigBee远程无线抄表系统的设计

周 鑫 朱向东 于秀波

(西安科技大学电气与控制工程学院1，陕西 西安 710054;西安电子科技大学机电工程学院2，陕西 西安 710071)

0 引言

近年来，随着我国电子技术和网络通信技术的高速发展，越来越多的新技术，特别是无线数据传输技术，已经应用于自动抄表系统中［1］。作为无线传感网络的代表，ZigBee无线抄表系统具有采集稳定、可靠、安装费用低、维护简单、无需租用公网等其他无线数据传输技术无法比拟的优势。ZigBee网络可容纳65000个节点［2－6］，在一个区域内可以同时存在多个ZigBee网络［2］。但经过测试，终端节点的个数不宜太多，否则将加重协调器的负担，误码率和丢包率也会明显增加，从而降低网络运行的稳定性。

基于ZigBee网络技术，设计了一个无线抄表系统。针对网络覆盖范围要求较大的情况，提出了“一区多网”的方案，并在原有ZigBee模块的基础上增加了低噪声RF前端放大器，以提升有效通信距离。试验表明，该系统的有效通信距离达到1 km，能够很好地满足实际需要。

1 系统组成

本系统的硬件组成主要包括数据采集器、中继器、带GPRS的区域集中器这3个部分。

区域集中器负责组建本区域的ZigBee网络。在成功建立网络后，区域集中器收集该区域内所有中继器转发的热力表数据，并对这些数据进行汇总，最终通过GPRS将数据传输到热力管理中心［3］。ZigBee的自组网功能减少了GPRS的数量。每个区域只需使用一个GPRS模块对热量表的数据进行集抄，取代了以往一表一ZigBee模块或一总线一GPRS模块的抄表方案，大大节约了使用成本。

中继器负责扩展网络的覆盖范围，它在数据传输过程中起到了“接力棒”的作用。在一些复杂的环境条件下，集中器与终端采集节点无法直接进行通信，此时就需要信号的中继和数据的转发，以保证自动抄表网络稳定通畅。同时，路由还能够自愈ZigBee网络，如果某个无线连接断开了，路由功能可以自动寻找一条新的路径，这就大大地提高了网络的可靠性，这也是ZigBee网络的一个关键特性。

数据采集器一般向下与仪表进行通信，通过仪表总线对住户的仪表数据进行集抄;向上则是与中继器进行通信，将数据通过ZigBee网络上传至协调器。终端节点只具有应用功能，因此，只能加入已经建立的网络。数据采集器平时处于休眠状态，在收到协调器的抄表指令后，按照指令要求，进行数据采集和上传。

系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图Fig.1 Block diagram of the overall system

2 一区多网的拓扑结构

对于ZigBee网络来说，拓扑结构的选择十分重要。考虑到实际需求，网状(mesh)网络的容错能力强、自适应力好，但其复杂度也最高，容易造成网络运行不稳定;星型网络具有结构简单和低功率等特点，但受到距离的限制;树型网络则介于两者之间，在小区热力抄表中采用树型网络，可以满足实际需求。

理论上，由于ZigBee协议采用64位IEEE地址和16位短地址空间，网络最多能支持65536个逻辑设备。但实际情况并非如此，一旦终端节点较多，就会使协调器的负担过重，长时间工作可能导致网络瘫痪或者误码率增加。因此，可以将整个小区的ZigBee网络分成若干个网络，形成一区多网。一个网络设置一个父节点作为协调器，这就可以将一个庞大复杂的网络分解成较为简单的小网络。各个网络的组建都以并行方式进行，互不影响，从而大大减轻网络中协调器的负担。

为避免信号的干扰，对同一区域不同网络设备设置不同的信道。在ZigBee协议栈中，定义了11～26共16个信道，系统可任选其一作为自己的默认信道。协调器将在其中一个默认信道上建立自己的网络，路由器和终端节点也将选择一个默认信道加入网络，这就不会出现将网络1中的设备加入到网络2中这一现象，从而避免对网络2运行的干扰。若16个默认信道不够用，还可以利用 PANID网络编号，其范围是0x0001～0xFFFF。通过设置不同的PANID来区分不同的网络，从而避免网络之间的干扰。一区多网的组网方式减少了各信道的通信负载，有效地改善了信道质量，降低了误码率，从而提高了网络运行的稳定性。

3 硬件设计

在硬件节点的设计过程中，ZigBee射频模块选用了TI公司推出的低功耗片上系统CC2530射频芯片。与第一代CC2430相比，CC2530的功耗更低，最大通信距离为400 m。其强大的地址识别和数据包处理引擎，能够很好地匹配RF前端，封装更小，并支持ZigBee PRO和ZigBee RF4CE。

3.1 终端节点硬件设计

由于CC2530本身的发送功率较小(4.5 dBm)。接收信号的灵敏度有限，因此实测距离最多只能达到200 m左右，整个网络覆盖范围较小。为了满足实际工程需要，对节点性能进行优化，以增加网络覆盖范围。因此，在已有的节点上增加了一个CC2591射频前端，从而提高了发送功率和接收的灵敏度。改进后节点的最大输出功率可达到22 dBm，灵敏度可以提高6 dBm，发射电流只有100 mA。低功耗模式时的发射电流只有0.2 μA，而且也无需增加ZigBee路由模块的数量。测试表明，终端节点通信距离可达到1 km左右，其硬件框图如图2所示。

图2 终端节点硬件框图Fig.2 Hardware structure of the terminal node

仪表总线的通信接口采用的是RS-232，而CC2530的电平为TTL，所以需要一个MAX3232芯片作为电平转换［7］，与 CC2530 的 P0.2和 P0.3管脚相连。

传统的CC2530片上系统射频前端设计采用的是巴伦电路。该电路由电感和电容构成，而电感和电容组成的巴伦匹配电路受其参数大小、放置位置、电路板过孔、厚度及材料的影响较明显，可控性较差。为了进一步提高硬件的性能，本设计采用一个6脚巴伦低通滤波芯片2450BM15A0002取代传统的分立原件。这就简化了射频前端的设计，缩小了PCB板的尺寸。与传统分离式元件的设计相比，该设计能够进一步降低电磁干扰(electro-magnetic interference，EMI)，提高ZigBee模块的性能。

3.2 区域集中器硬件模块设计

在实际应用中，集中器需要完成网络的维护、数据的上传、命令的下达、系统的检测和管理等功能，其硬件结构如图3所示。其中，区域集中器要将整个区域的数据进行汇总、压缩、打包，计算量较大。核心处理器采用TI公司的MSP430F149单片机［8］，并在外部扩展了一片AT45DB041串行Flash外部存储器。

图3 区域集中器硬件框图Fig.3 Hardware of regional concentrator

GPRS模块利用SIM卡提供GPRS网络服务，将协调器节点采集到的仪表数据上传到热力管理中心。利用串行接口，协调器可以直接与上位机相连，完成数据传输。若PC机没有串口，则可以利用USB接口部件同协调器节点相连，完成数据通信。

4 系统软件设计

4.1 中继器的软件设计

中继器程序流程如图4所示。

图4 中继器程序流程图Fig.4 Flowchart of repeater program

初始化完成后，路由会首先对周围的环境进行一个信道能量扫描。当发现网络后，路由会周期性地向周围广播beacon request寻求协调器的回复。一旦协调器接收到路由请求，就会发送一个Superframe来实现网络中设备的同步工作;然后，为路由分配一个16位的网络地址，使路由成功加入网络。此后，路由也可以成为其他设备的父节点，进行数据转发。

4.2 区域集中器的软件设计

当以协调器为中心的ZigBee网络构建成功后，热力管理平台通过GPRS网络下发抄表指令，通过ZigBee网络进行抄表。当数据送达后，集中器将采集到的本区域的仪表数据按照协议打包、压缩，并通过GPRS网络将其发送到热力管理平台。区域集中器程序设计流程如图5所示。

图5 区域集中器程序流程图Fig.5 Flowchart of regional concentrator

4.3 终端节点的软件设计

终端节点成功加入网络后，收到协调器发送的数据采集指令，进行数据采集。当采集数据完成以后，将数据发送到协调器，等待确认消息。当超过最大等待时间时，重新发送数据;接收到确认消息后，完成本次数据采集过程，等待下一次数据采集指令。终端节点程序设计流程如图6所示。

图6 终端节点程序流程图Fig.6 Flowchart of terminal node

5 试验结果

为验证系统的可靠性，将同一区域的4个ZigBee网络采集的热力表的数据通过GPRS模块发送至热力管理平台。经统计，系统第一次集抄成功率为97%，第二次集抄成功率达到99.9%。

6 结束语

本文提出并设计了一种基于ZigBee技术的远程无线抄系统，分别从系统组成结构、软硬件设计等方面介绍了ZigBee无线网络在小区远程抄表系统上的应用。根据大型小区的实际情况，提出将一个大型复杂的ZigBee网状网络通过16个不同的信道或PANID划分成为若干个不同的网络，从而大大减轻网络协调器的负担，提高网络运行的稳定性。该系统无线抄表系统提供了一种灵活、方便、可行的方案，具有一定的使用价值和经济价值［5］。

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