基于ZigBee技术的家居抄表系统设计

李纲等

摘要：针对传统抄表方式所遇到的出错率高、效率低下等问题，提出了一种基于ZigBee技术的家居抄表系统设计方案。系统采用PIC18LF4620作为核心处理器，近距离通信功能由CC2430芯片实现，远距离通信功能由SIM300芯片以及GPRS技术完成。系统实现了对家居仪表数据的远程抄写。实验证明，该系统安全可用。

关键词：ZigBee； GPRS； 抄表系统； 簇状结构； CC2430

中图分类号：TN929 文献标识码：A文章编号：2095-2163（2014）01-0020-04

0引言

随着计算机、无线通信和微电子技术的飞速发展，人民生活水平的不断提高，对家庭自动化、楼宇自动化的需求正在不断增长[1]。针对现有高层和豪华居住小区的物业配备特点，传统抄表方式以其浪费人力而且又不可避免地存在着人为因素可能造成的抄表误差，己经不能适应今后住宅的发展要求。尤其是，若遭遇经常在外的用户，抄表及收费更是困难，并且还会有不法分子以查抄水电表为借口进行一系列入室犯罪活动，因此实现智能远程抄表已经成为未来住宅的发展趋势。采用远程无线抄表系统可以避免手工抄表可能产生的错抄、漏抄等人为错误，同时还可以提高效率、减轻劳动强度、解放和节省劳动力。为了满足需求，文中将利用ZigBee和GPRS技术设计一个实际可用系统，实现家居仪表数据的远程无线抄送。

1通信技术介绍

1.1ZigBee技术

ZigBee技术是继Bluetooth之后的一种新兴的无线传感器网络技术，具有短距离、低功耗、低成本和低复杂度等特点，并已在家庭、建筑自动化、消费类电子、工业控制和医疗传感器等诸多方面获得广泛应用。ZigBee技术实质上是由调频技术以及扩频技术相结合而共同实现的，工作频段不仅支持全球流行的2.4GHz，对欧洲使用的868MHz和美国使用的915MHz也同样兼容。以上三种频段上均具有最高数据传输速率，具体数目分别是250kbps、20kbps和40kbps。当ZigBee技术以2.4GHz频段工作时，在室内传输距离可以达到10米左右，而在室外的良好环境中，传输距离则高达200米；ZigBee技术的工作频段发生改变时，如按照欧洲和美洲的频段标准进行工作，室内传输距离将达到30米，在室外传输距离也同样会有所增加，即可增至1 000米。但在实际使用过程中，传输距离通常则由发射功率的大小而最终决定[2]。

ZigBee技术有多种拓扑网络结构，具体结构如图1所示。

1.2GPRS技术

目前已经十分成熟的通用分组无线业务，也就是GPRS（General Packet Radio Service），通过充分利用共享无线信道形成其一大特点，而且同时又采用IP Over PPP实现数据终端的高速、远程接入。GPRS的发展已经进入成熟阶段，使用范围也堪称广泛，并且配套设施也较为完善，因此其优势是十分显著的。GPRS提供端到端、广域的无线IP连接，并具有充分利用现有的网络及硬件、收费价格低廉、资源利用率高、且传输速率高等一系列特点[3]。

2系统结构和网络结构设计

2.1系统的主要结构、功能与技术指标

如图2所示，用户抄表模块使用2.4G的免费、免申请频段。而ZigBee无线网络则由如下三部分组成，分别是ZigBee网络协调器，也就是网络的中心节点、全功能设备（FFD），也就是网络的路由或中继、精简功能设备（RFD），也就是网络中的终端节点，如此结合来共同实现仪表数据的抄写和传输等各项功能。

ZigBee网络主要面向短距离通信， 而GPRS网络则面向远距离的通信，两者能够互为补充，并通过网关将这两个网络彼此连通，实现了从用户抄表端到远程控制终端的远距离数据传输。

家居抄表系统应具备以下功能：

（1）定时、定点、自动地抄录各用户的用电、水、燃气量。

（2）低功耗、成本低、可靠又安全。

（3）对用户电水气表工作状况进行实时监测，有异常错误时可以自动上报。

（4）为物业部门提供有效的运行参数，也为抄表自动化的实现提供基础数据。

（5）实现数据的远距离自动传输和处理。

2.2系统的网络结构设计

家居抄表系统采用ZigBee网络与GPRS网络相结合的方式，具体结构如图3所示。

近距离通信模块主要由CC2430芯片控制实现，如此则基于其价格便宜，且使用便利的特点，这时只需对外围电路进行简单的设计和添加，即可构成具有数据收发功能的通信模块。用于远程通信的功能模块采用的则是SIM300芯片，因其稳定性较高、技术成熟且价格便宜[4]。

在实现通信功能的过程中，系统首先通过RS232串口将数据和相关指令发送给SIM300，接到命令的SIM300开始自动登陆GPRS网关，经过验证并获取IP地址后，系统便可远程控制终端并建立通信连接，这样就完成了通信链路的成功组建。

近距离通信由于实际使用的原因，同一区域内，如多个用户同时使用的情况下，节点发送的数据冗余性一般都会比较大，因此本系统采取分簇结构的通信网络，即将分布比较密集的节点形成簇，并选出一个节点为簇首，而簇内各节点则将数据转发给簇首，当簇首在收集到簇内各节点发送的信息后，即对簇内数据进行一系列的融合工作，再对数据包进行压缩，压缩后的数据量变少，如此则不仅减少了数据流量，而且也实现了节能目的。

3系统硬件设计

3.1用户抄表模块设计

在系统软件设计过程中，各层通信协议均要以节能和安全为主。ZigBee模块间的通信流程可以传感器节点和网络协调器之间的通信为例来说明。在建立通信之前，ZigBee模块首先要进行初始化，其初始化流程如图7所示。而初始化过程中，主动请求连接传感器节点的指令一般由网络协调器发出，当传感器节点成功接收数据后，就会对一个数据帧和MAC命令帧进行一系列验证。若通过验证后，即向汇节点返回确认帧，此时传感器节点的ZigBee模块将处于休眠状态。初始化完成后，ZigBee模块信息处理流程则如图8所示，网络协调器将切换为工作状态，等待由传感器节点发出的响应连接请求信令，当到达约定时间，传感器节点即向网络协调器发送主动连接请求，同时向网络协调器发送数据信息，就可采集得到智能仪表的显示数据。传感器节点和汇节点之间以及汇节点和网络协调之间的通信亦与此类似，此处不做赘述说明。

5实验结果与结论分析

实验中选取了6个实验点，组成一个小型分簇网络，并选举了一个簇首。每个传感器节点定时将采集到的仪表数据发送给预先已选定的簇首，每当节点完成发送数据的功能后，即会进入休眠态，如此可以节省能源，增加硬件使用时间；而在接收数据之后，簇首会对簇内的数据进行融合，即压缩数据并发送给路由节点，数据经过一系列路由节点的传输之后，由GPRS模块实现接收，而数据最终由GPRS模块发送至远程控制终端[3-6]。随机选取了其中3个实验点（用户）1个月的水、电、燃气表使用情况进行测试，实验数据如表1所示。

6结束语

通过将远程通信技术GPRS和近程通信技术ZigBee相结合，系统实现了近距离无线传感器网络和远程通信网络的有机融合，完成了对水、电、燃气表的远距离控制与抄写。系统充分利用了现有的硬件资源以及通信资源，大大提高了工作效率，并且由于所使用技术较为成熟，因此成本较低、能耗较少，同时具备了一定的扩展性，安全性也相应得到了切实的保证，可广泛应用于其他类似场合。

参考文献：

[1]李纲，张少辉. 基于RFID的蛛网模型定位算法设计[J]. 软件， 2012， 33（4）：9-12.

[2]刘瑞霞，李春杰，郭 强，等.基于ZigBee网状网络的分簇路由协议[J].计算机工程，2009，35（3）：161-181.

[3]何明星.基于ZigBee与GPRS技术的无线传感器网络网关的设计[J].工矿自动化，2009，8：106-108.

[4]鞠玉鹏，施伟斌.基于ZigBee技术的远程无线抄表系统设计[J].网络与通信，2009，15：38-44.

[5]李 文.基于ZigBee和GPRS的远程监控系统设计[J].消防与安全，2009，12：37-44.

[6]纪金水. 基于Zigbee无线传感器网络技术的系统设计[J].计算机工程与设计， 2009，28（2）：404-408.