摘 要： 設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于ZigBee和Internet的遠程抄表系統(tǒng)。感知層利用智能傳感器技術(shù)，實現(xiàn)對電壓、電流、頻率、功率、電能等用電信息的采集。傳輸層采用ZigBee短距離通信技術(shù)實現(xiàn)對節(jié)點信息的匯聚，并利用嵌入式以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到Internet數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，通過廣域網(wǎng)路由器接入Internet。應(yīng)用層通過信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)遠程抄表與信息管理。測試表明，該系統(tǒng)達到了預(yù)期的效果。
關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；遠程抄表；ZigBee；Internet；嵌入式以太網(wǎng)
0 引言
盡管物聯(lián)網(wǎng)還是一個發(fā)展的概念，然而把實物納入網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)該是信息化發(fā)展的一個大趨勢[1]。傳統(tǒng)的抄表方式已不能滿足物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，因此遠程無線抄表是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個重要應(yīng)用方向。國內(nèi)當(dāng)前實現(xiàn)無線抄表系統(tǒng)的技術(shù)主要有GPRS、GSM、電力載波、RS485、藍牙等[2]，但是均存在成本高、抗干擾能力差、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小、功耗大等缺點[3]。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的無線通信技術(shù)，具有功耗低、組網(wǎng)方便、網(wǎng)絡(luò)可靠性高、網(wǎng)絡(luò)容量大、成本低等優(yōu)點，因此在智能家居和通信速率要求不高的工業(yè)控制領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢[4]。
結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)進入千家萬戶的契機，本文設(shè)計了基于ZigBee和Internet的遠程抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)了真正意義上任何人任何地點任何時間抄表。遠程抄表系統(tǒng)框圖如圖1所示。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集、處理和轉(zhuǎn)發(fā)用戶用電信息，ZigBee協(xié)調(diào)器負責(zé)收集、整理各節(jié)點信息，遠程智能控制各節(jié)點的繼電器以實現(xiàn)對用戶用電入口的控制。ZigBee路由器協(xié)助協(xié)調(diào)器和節(jié)點之間的通信，以滿足遠距離傳輸要求。智能網(wǎng)關(guān)部分實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與Internet數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。嵌入式網(wǎng)頁域名解析服務(wù)開通后，只要嵌入式設(shè)備連接在網(wǎng)絡(luò)中，擁有權(quán)限的管理員便可以通過信息管理系統(tǒng)，通過域名訪問和管理內(nèi)嵌網(wǎng)頁，從而實現(xiàn)遠程抄表與遠程控制。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)、信息管理三部分組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點、路由器、協(xié)調(diào)器三部分組成，主要實現(xiàn)對家庭用電信息的采集、整理和匯聚，以及與智能網(wǎng)關(guān)的通信。智能網(wǎng)關(guān)由嵌入式以太網(wǎng)模塊加廣域網(wǎng)路由器組成，負責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收，ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與Internet數(shù)據(jù)的交換，以及解析網(wǎng)頁遠程控制指令。信息管理部分由內(nèi)嵌網(wǎng)頁的設(shè)計、域名服務(wù)的申請以及信息管理系統(tǒng)三部分組成，主要實現(xiàn)用戶對家庭用電信息的遠程監(jiān)控以及管理員對用戶數(shù)據(jù)的遠程管理。
2 系統(tǒng)設(shè)計
2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)
2.1.1 終端節(jié)點
終端節(jié)點主要由CC2530最小模塊、電源模塊、電量計量芯片RN8209G和數(shù)字溫度計DS18B20組成，如圖2所示。
CC2530最小模塊包含RF天線模塊和系統(tǒng)所需晶振等最少硬件，21個引腳全部引出，故使用時很方便，只需設(shè)計簡單的外圍電路即可。
電源模塊由開關(guān)電源和電池組組成，雙電源的設(shè)計是源于無線抄表系統(tǒng)的特殊性，它本身是為了采集市電信息，因此大部分時間直接利用開關(guān)電源供電即可，只有出現(xiàn)了異常情況（如電網(wǎng)斷電），為了維護網(wǎng)絡(luò)保護數(shù)據(jù)，才啟用備用電源供電，這樣可以減少電池的使用，從而節(jié)省成本。
RN8209G是國產(chǎn)的一款單相防竊電專用電量計量IC，可靠性高、精度高、開發(fā)難度小且成本低廉，適于推廣。它含一個電壓通道、一個零線電流通道和一個火線電流通道。經(jīng)過專業(yè)設(shè)備的校表后，通過電壓傳感器和電流互感器，就可以準(zhǔn)確測量電壓、電流、頻率、功率、電能等信息。轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)寄存器中[5]，MCU CC2530模塊通過串口SPI或者UART與其通信，讀取相應(yīng)寄存器的值即可。
DS18B20主要實現(xiàn)對節(jié)點溫度的監(jiān)測，協(xié)助協(xié)調(diào)器對節(jié)點運行狀況的判斷。當(dāng)節(jié)點電流過大或者節(jié)點所處環(huán)境溫度過高時，協(xié)調(diào)器會通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)切斷相應(yīng)節(jié)點的用電，打開報警器，達到自動保護電網(wǎng)的作用。
2.1.2 路由器
路由器基于CC2530設(shè)計，并通過CC2591射頻放大集成電路對射頻信號進行放大，增加了信號有效傳輸距離，提高了信號強度，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院途W(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性[6]。對于光纖未覆蓋的偏遠地區(qū)，可以加多級路由器，以實現(xiàn)遠距離傳輸。CC2530和CC2591通過3根控制線和3根數(shù)據(jù)線相連。
2.1.3 協(xié)調(diào)器
協(xié)調(diào)器主要由CC2530最小模塊、電源、時間芯片DS1302、溫度計DS18B20、12864顯示屏和按鍵組成，如圖3所示。
CC2530最小模塊、電源、溫度計DS18B20功能與節(jié)點中的相同，故不再重復(fù)。時間芯片DS1302顯示系統(tǒng)工作時間，協(xié)助協(xié)調(diào)器對節(jié)點的控制與管理。協(xié)調(diào)器負責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點信息的收集與處理，轉(zhuǎn)發(fā)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。
2.2 智能網(wǎng)關(guān)
智能網(wǎng)關(guān)由嵌入式以太網(wǎng)模塊ZLSB2030和廣域網(wǎng)路由器組成，如圖4所示。
嵌入式以太網(wǎng)模塊ZLSB2030功能豐富，支持包括100個TCP連接、DNS、DHCP、串口類AT控制命令等；ZLSB2030開發(fā)十分簡單，用戶只需當(dāng)作串口收發(fā)即可。ZLSB2030內(nèi)部集成ZLAN_DDNS協(xié)議，當(dāng)用戶需要訪問某個模塊時，首先需要獲得模塊當(dāng)前的外網(wǎng)IP地址，此時，用戶只要將這個模塊的唯一編號作為前綴來訪問域名即可直接訪問此模塊[7]。
ZLSB2030通過串口與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相連，通過交叉網(wǎng)線與廣域網(wǎng)路由器相連，廣域網(wǎng)路由器與外網(wǎng)相連，便可以實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與Internet數(shù)據(jù)的交換。
2.3 信息管理
信息管理部分由內(nèi)嵌網(wǎng)頁的設(shè)計、域名服務(wù)的申請以及信息管理系統(tǒng)三部分組成。
2.3.1 內(nèi)嵌網(wǎng)頁的設(shè)計
嵌入式網(wǎng)頁由兩級界面構(gòu)成，分為登錄界面和系統(tǒng)顯示界面，如圖5所示，用HTML語言和Java Script腳本語言開發(fā)。設(shè)置系統(tǒng)賬戶名和登錄密碼以確保數(shù)據(jù)的安全性。
ZLSN2030動態(tài)顯示網(wǎng)頁有txt_control和串口讀寫網(wǎng)頁兩種方案可選，兩種方案比較如表1所示[8]。
若節(jié)點數(shù)超過32，選擇串口讀寫網(wǎng)頁方案較為實用，不過需要盡量減少數(shù)據(jù)修改次數(shù)，以延長該模塊的生命周期；若節(jié)點數(shù)低于32，優(yōu)先選擇txt_control方案。
通信時，ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送固定格式的指令加采集的數(shù)據(jù)，便可以實現(xiàn)內(nèi)嵌網(wǎng)頁的修改以及遠程控制。例如指令（十六進制）格式為：ed f2 a3 56 ca db 91 84 b0 d7 0c 10 74 78 74 5f 63 74 72 00。其中ed f2 a3 56 ca db 91 84 b0 d7 是標(biāo)志字符，0c是txt_control 的命令代碼，10是十六進制表示，74 78 74 5f 63 74 72 00是指要替換的字符串，此指令表示要設(shè)置<TX16>的替換字符串。此時打開含有TX16控件的網(wǎng)頁，刷新一下即可看到內(nèi)嵌網(wǎng)頁對應(yīng)控件處出現(xiàn)了修改后的信息。
2.3.2 DDNS服務(wù)申請
利用ADSL上網(wǎng)的用戶，IP一般是基于DHCP協(xié)議分派的，因此用戶不同時間段獲得的IP是不同的[8]。為了使遠程抄表不需知道用戶的外網(wǎng)IP也能訪問內(nèi)嵌網(wǎng)頁，需申請DDNS。目前國內(nèi)較為著名的DDNS服務(wù)提供商有花生殼、ZoneEdit等，它們均有相應(yīng)免費DDNS服務(wù)，對于遠程抄表這樣一個數(shù)據(jù)流量不是很大的系統(tǒng)來說，利用它們的免費服務(wù)就足夠了。用戶只需把嵌入式設(shè)備連在廣域網(wǎng)路由器即可。DDNS服務(wù)開通后，用戶可以通過訪問內(nèi)嵌網(wǎng)頁來了解家庭用電情況。
2.3.3 信息管理系統(tǒng)
信息管理系統(tǒng)結(jié)合Java和SQL開發(fā)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡單，功能豐富。信息管理系統(tǒng)框圖如圖6所示。
把所有用戶的內(nèi)嵌網(wǎng)頁數(shù)據(jù)進行整合，本質(zhì)是對用戶內(nèi)嵌服務(wù)器數(shù)據(jù)的收集與整理，形成一個用戶用電信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)遠程抄表與信息管理。通過對各用戶用電數(shù)據(jù)的跟蹤、處理與分析，實現(xiàn)智能監(jiān)控，可以有效防止用戶偷電漏電等異常用電情況和違規(guī)用電行為。
3 結(jié)論
本文緊緊圍繞物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢，緊密結(jié)合智能家居和智能用電的新概念，提出基于ZigBee和Internet技術(shù)的遠程無線抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、成本低廉、組網(wǎng)方便、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)誤碼率低等優(yōu)點，具有很高的實用價值和應(yīng)用前景。經(jīng)過實際的測試，系統(tǒng)運行狀態(tài)基本達到預(yù)期效果。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，若添加遠程刷卡、網(wǎng)絡(luò)繳費等功能，會帶來更大的便捷，這也是今后的研究方向。
參考文獻
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