摘 要： 針對傳統抄表技術中存在的一些問題，設計了基于ZigBee技術的遠程無線抄表系統。將CC2430芯片與微控制系統相結合，實現無線遠程三表控制和對流量數據的讀取，結合ZigBee特點和系統各部分的功能，建立了系統的網絡結構。
關鍵詞： ZigBee；CC2430；抄表系統
隨著供水部門、供電部門、供氣部門對“一戶一表”工程改造的推進，以及對自動化的要求，遠程無線抄表系統已成為水、電、氣自動化管理和智能化控制不可缺少的組成部分。采用遠程無線抄表系統可以杜絕人工抄表產生的誤抄、漏抄、估抄等人為錯誤，還可以提高工作效率、減輕勞動強度、減員增效，實現從數據采集到收費單的打印都自動完成。因此，實現三表數據的遠程自動抄送，具有十分重要的現實意義[1]。
ZigBee是2004年底通過的IEEE 802.15.4標準，是一種低功耗、低數據速率、低成本且數據可靠性高的雙向無線通信技術，主要用于自動、遠程控制領域及家用設備聯網。ZigBee依據IEEE 802.15.4標準，在節點間相互協調實現通信[2]。它可由多到65 000個無線模塊組成1個無線網絡，每個網絡節點間的距離可以從標準的75 m到擴展后的幾百米，甚至幾千米。無線數據傳輸速率高達76.8 Kb/s。本系統主要由前端智能表(水表、電表、氣表)、數據集中收發器、遠端數據接收處理中心等構成，采用ZigBee無線網技術實現本地數據采集，將采集后的數據傳送到物業中心。
1 ZigBee技術
1.1 ZigBee的特點
ZigBee技術采用直接序列擴頻(DSSS)技術，主要工作在無需注冊的2.4 GHz頻段。當前比較流行的幾種無線技術的特點如表1所示。
由表1中可以看出ZigBee的主要特點：低功耗；低成本；時延短；網絡容量大；安全可靠。尤其是ZigBee的低功耗是其他無線設備望塵莫及的，因為ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1 mW，而且采用了休眠模式。據測算，ZigBee設備僅依靠2節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間。
1.2 ZigBee通信協議框架及其網絡拓撲
ZigBee網絡中的設備分為全功能設備(FFD)和簡化功能設備(RFD)2種[3]，其中，FFD設備也可作為協調器(Coordinator)使用。FFD是具有路由與中繼功能的網絡節點， 可以與RFD 節點通信也可以與別的FFD節點通信；RFD節點作為網絡終端節點，相互間不能直接通信，只能通過FFD節點發送和接收信息，不具有路由和中繼功能。RFD和FFD的硬件結構完全相同，只是網絡層不一樣；協調器是網絡組織者，負責網絡組建和信息路由。ZigBee網絡支持星型網(Star)、集群樹狀網(Cluster)和網狀網(Mesh)3種拓撲[4]。其中，星型網由1個協調器節點和多個網絡終端節點組成，終端節點通過協調器實現彼此間的通信；集群樹狀網是由1個協調器組織的多個星型網，擴大了網絡的覆蓋范圍，網絡終端節點不但可以接入協調器節點，也可任意接入具有路由功能的FFD節點，但具有路由功能的FFD節點相互之間不能直接通信，只能通過協調器節點的路由功能完成相互間的通信。網狀網是一種高可靠性的Ad Hoc網絡，與集群樹狀網不同的是具有路由功能的FFD節點相互間可以直接路由信息，所以網狀網通過自組織和無線路由功能可提供多個數據通信路徑。當最優的通信路徑發生故障時，網狀網會在冗余的其他路徑中選擇最合適的路徑供數據通信，因此，網狀網有效縮短了信息傳輸時延并提高了網絡通信的可靠性。
2 系統設計與實現
2.1 方案論證
我國在20世紀80年代初開始研究遠程自動抄表系統。目前對于無線抄表系統的設計方案主要有以下幾種：(1)完全基于GPRS技術實現，但這種方案設計成本較高；(2)掌上機抄表方案只能實現半自動化，不能實現遠程通信，效率還是不高；(3)低壓電力線載波抄表方案易受外界干擾，抗干擾性較差；(4)采用電話線和調制解調器傳送數據和控制信號的方案，其維護成本高，擴展性能差，且MODEM長時間帶電，易出現不穩定的情況；(5)運用藍牙方式，由表1可以看出，抄表系統中ZigBee技術要遠優于藍牙。綜上所述，運用ZigBee技術實現是首選。
2.2 系統組成
通常小區中使用星型網絡即可形成一個由中心節點和終端智能表組成的抄表系統無線網絡。但考慮到小區中有部分智能表距離中心節點較遠，數據傳輸可靠性低，因此，采用網狀網絡。即在距中心節點較遠的單元樓中設置1個數據采集點，起到數據上傳下送的功能，且數據采集點之間可以互相通信。
因此，遠程無線抄表系統解決方案從系統構架上基本分為前端智能表、數據集中收發器和遠端數據接收處理中心3部分：
(1)前端智能表：包括水表、電表、燃氣表等，并且具有數據采集、存儲、接收指令和發送數據的功能。可對計量對象進行計量、存儲數據和接收中心節點發送的指令并按照指令的要求完成相應的動作。
(2)數據集中收發器：在每個樓層都安裝數據集中收發器，它是遠程抄表系統中關鍵的一環。它完成數據上傳下送的中繼作用，可將中心節點發出的命令轉發給終端智能表、接收終端智能表返回的數據并轉發給中心節點，具有存儲轉發的功能。
(3)遠端數據接收處理中心：該中心具有建立、協調、配置整個網絡的功能?？稍O置定期向終端智能表發送數據采集請求、接收數據、存儲數據，并負責將數據集中收發器發送過來的數據進行處理和顯示，其功能更像一個控制平臺，通過它可以及時了解到用戶用電、用水等情況。
系統基本原理框圖如圖1所示：
2.3 系統設計
2.3.1 前端智能表
智能表主要由傳感器、信號處理電路、MCU、ZigBee模塊、電源部分等組成，其中MCU通過傳感器、相應的信號處理電路，對計量對象的脈沖信號進行采集、處理并存儲。本設計中使用CC2430芯片完成數據處理和傳輸功能，即MCU和ZigBee模塊的功能，其它部分功能可由現有的脈沖表技術實現。智能表組成框圖如圖2所示。下面簡要介紹CC2430芯片。
CC2430芯片在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU，具有128 Kb可編程閃存和8 Kb的RAM，還包含ADC、4個Timer、AES-128協同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路和21個可編程I/O引腳。
CC2430芯片只需要極少的外圍元器件，其外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻I/O匹配電路2個部分。芯片本振信號既可由外部有源晶振提供，也可由內部電路提供。由內部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。射頻I/O匹配電路主要用來匹配芯片的I/O阻抗。
CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430芯片的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用場合。
2.3.2 數據集中收發器
數據采集點在無線通信網絡中主要充當中繼器，將中心節點發送的指令轉發給終端智能表，或將終端智能表的數據上傳給中心節點，從而使網絡具有延伸性，傳輸的距離更遠。通信時，數據采集點對接收到的數據進行解析，并判斷地址包含在自己的路由表中時，則為接收的數據選擇最佳路徑，并轉發出去。路由算法采用AODV，這些功能可通過ZigBee協議的網絡層實現[5]。
數據采集點主要由ZigBee模塊、微控制器、存儲模塊等部分組成[6]。ZigBee模塊仍采用CC2430芯片。數據采集點需要先存儲接收的數據，再選擇路徑將數據發出去，需要足夠的存儲單元。在微控制器的選擇上，可供選用的單片機種類較多，本設計選擇納瓦技術單片機PIC18LF4620作為核心處理器，在空閑和休眠狀態下，可以使系統功耗降到最低。PIC18LF4620和CC2430的接口電路圖如圖3所示，接口簡單且外圍器件少，簡化了硬件調試的難度，增加了系統的穩定性。
2.3.3 控制中心
數據中心節點是ZigBee網絡中的協調器，負責啟動、配置、協調整個ZigBee 無線網絡以及整個小區與抄表中心的數據傳輸。在網絡中，中心節點又相當于一個接入點，需要進行ZigBee無線網與其他網絡的協議轉換?？偟膩碚f，中心節點是負責終端智能表的管理及協調ZigBee無線網與其它網絡之間通信的關鍵部件。中心節點主要由ZigBee模塊、32位的嵌入式微處理器、存儲模塊及外圍部分等組成，如圖4所示。
中心節點定期查詢、自動抄寫各智能表的數據，將數據保存在存儲器中，供抄表中心定期讀取。因此， 中心節點需要較大容量的存儲器，一般需外擴存儲器。
對ZigBee設備性能評估，主要測試它的發射功率、頻譜的相位噪聲、臨近信道干擾和通信距離。在空氣環境中測試，距離150 m時通信的誤碼率可小于1%。系統在發射狀態下耗電為23.7 mA，接收時為21.78 mA，休眠狀態下僅為2.5 μA。實驗結果證明，本文所介紹的基于CC2430芯片收發器的系統具有容錯性高、性能優越和超低功耗等特點，各項性能指標還可進一步提升。
無線抄表系統是我國目前領先的無線智能抄表系統，它將是我國智能集中抄表未來的發展方向，無線抄表系統采集計數工作單元均裝配在表內并密封，表的數據采集、處理、存儲等基礎工作全由表本身完成。另外，因為表引出的無線通、斷不影響單表數據采集和保存(僅影響本表數據的讀出)，也不影響其他表數據的讀出，即使本次讀數時該表出現故障，只需重新發射數據，無需重新置數，表的真實讀數仍可繼續讀出，其安全性、穩定性是比較可靠的。
隨著各大廠商對ZigBee技術了解的不斷深入，以及ZigBee聯盟對其標準的進一步完善，ZigBee芯片及系統的價格會逐步降低。相信在不久的將來，無線自動抄表系統在我國一定會有很大的發展。
參考文獻
[1] 甘素榕，鄒濤，翁哲.基于CC2430的ZigBee無線通信設計[J].科技資訊，2007(22)：92-92.
[2] 王蘇.基于ZigBee技術在無線自動抄表系統中應用的研究[J].科技資訊，2007(4)：2-3.
[3] 任秀麗.ZigBee無線通信協議實現技術的研究[J].計算機工程與應用，2007(6)：143-144.
[4] ZigBee無線自動抄表系統的未來發展之路.http：//www.51zigbee.com/project/ShowArticle.asp?ArticleID=63，2008.
[5] 劉濤，趙計生.基于ZigBee技術的農田自動節水灌溉系統[J].測控技術，2008(27)：95-96.
[6] YANG X K， LI G. Pervasive computing oriented automatic meter reading system based on ZigBee and GPRS[J].Shanghai：Journal of Shanghai Normal University(Natural Science)， 2007：40-41.