基于ZigBee和GPRS的远程抄表系统设计

摘要：针对当前传统抄表效率低、成本高、劳动强度大等问题，提出了一种无线远程抄表方案。结合ZigBee无线短距离通信技术和GPRS技术设计了一套抄表系统，该系统广域网采用GPRS技术通信，局域网采用ZigBee无线短距离通信，该系统具有能耗低、稳定性强、成本低、通信安全可靠等特点。经现场试验测试，该系统能够完成数据采集、传输，抄表成功率高，同时该系统在医疗、环境监测等领域应用前景广阔。

0 引言

随着我国电力企业改革的不断深入，电力企业无论是在管理方面还是在技术操作方面越来越现代化、智能化，而抄表作为电力行业的基础业务，抄表工作的好坏、抄表速度的快慢直接影响着电力工作的优劣。现如今传统的抄表方式由于效率低、成本高、劳动强度大等问题，已无法满足现代社会的需求。为此提出了一套先进的远程无线抄表系统，

此系统主要是将ZigBee技术和GPRS网络结合在一起，来实现远程终端对用户电表的控制。

1 系统总体设计

系统总体设计如图1所示。基于ZigBee和GPRS的远程抄表系统主要有三部分组成。

1.1 数据采集传输端

数据采集传输端主要由采集器和集中器组成，数据传输端是通过ZigBee无线网络技术通信。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低复杂度的无线网络技术，具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、网络的自组织、自愈能力强、通信可靠等特点。数据采集传输端主要负责用户电表数据的采集和采集数据的转发，使数据顺利传输到协调器。

1.2 协调器和GPRS网络

协调器是整个系统的中间节点，负责ZigBee网络的组建并且将ZigBee网络采集到的数据通过GPRS网络传输到监测中心。GPRS网络是远程无线通信网络，具有传输数据大、实时在线、频率利用率高、传输可靠等特点。

1.3 监测中心

监测中心由监测设备和数据库服务器组成，监测设备接收协调器发来的数据，同时可以向协调器发送需求。

2 系统硬件设计

2.1 数据采集传输端硬件设计

数据采集传输端主要负责电表数据的采集以及发送。采集器负责电表数据采集，集中器起到承上启下的作用，一方面是负责将采集器采集的数据顺利传送给协调器，另一方面是负责传达协调器下达的命令。采集器和集中器均采用电源供电。采集器由传感器模块、处理器CC2430模块、电源模块、电源管理模块、天线模块、LED指示灯6部分组成，而集中器的组成包含除去传感器模块的所有模块。主控芯片采用CC2430芯片是因为CC2430在ZigBee技术应用中的优势，CC2430是chipcon公司研究推出的、用来实现嵌入式的片上系统，CC2430芯片具有高性能、低能耗、抗干扰能力强等特点，CC2430芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，CC2430芯片工作时的电流损耗为27mA，休眠模式时仅为0.9 μA的能耗，待机模式时更少。电源模块用于给处理器供电，LED指示灯用于显示网络的状态。

2.2 协调器节点硬件设计

协调器由ZigBee无线通信模块、处理器模块、电源模块、电源管理模块、GPRS模块、LED指示灯、LCD模块、数据存储模块8部分组成，具体结构如图2所示。

协调器模块也采用电源供电。ZigBee无线通信模块主要用于数据通信，其设计和集中器一样。处理器模块用于数据处理和远程操作功能的实现，其主控芯片选用美国德州仪器的MSP430F系列，MSP430F系列是一种具有功耗低、功能强、性能好等技术特点的16位单片机，具有丰富的寻址方式，程序代码可以方便地写入和擦出，并且与MSP430F系列相适应的C430语言与标准的C语言兼容性好。处理器模块和ZigBee模块采用SPI总线通信，与GPRS模块采用RS232串口通信。GPRS模块用于协调器和远程终端通信，GPRS模块采用SSIM900无线通信模块，该模块是有Simcom公司生产的，具有射频天线，支持GSM/GPRS通信，并且还有本地SIM卡连接等。LCD模块是用户和无线网络交互的界面，用来显示菜单功能，数据存储模块用于对采集到数据的存储。

3 系统软件设计

本系统主要是结合ZigBee技术和GPRS技术来完成设计，系统具备的功能主要是协调器自动建立网络、采集器定时自动抄表、远程终端命令控制以及远程自动抄表等。基于以上功能，系统的软件设计主要分为两部分：协调器节点软件设计和采集器节点软件设计。

3.1 协调器节点软件设计

协调器是整个系统的网关，并且还是ZigBee网络和远程终端的桥梁，能通过GPRS网络实现ZigBee网络和远程终端的交互。协调器节点的功能主要有两部分，一是ZigBee网络的组建，对其组建的网络中的其他节点进行管理，并且向采集器节点发送采集信息，将采集的数据信息储存，为了降低能耗，采集器和中继器一般处于休眠状态，所以协调器节点在需要采集数据信息时，首先应该向采集器节点发送激活码，激活采集器节点;二是接受远程终端命令，通过GPRS网络和远程终端建立连接，将采集的数据信息定时发送给远程终端，并且实时等待接收远程终端发来的命令，为保证GPRS模块和远程终端有效连接，单片机需要通过GPRS模块向远程终端发送握手信号，在握手失败时再次发送建立连接。

3.2 采集器节点软件设计

采集器的功能主要有两部分，一是定时自动抄表，随时记录电表中的数据;二是定时监听系统中协调器是否发来激活码及网络信号。采集器作为休眠节点，除了设定的定时抄表时间和接收协调器发来网络信息及向协调器节点发送数据信息时间，为了降低能耗，一般其他时间采集器都处于休眠状态。采集器节点的软件流程图如图4所示。

4 系统测试

系统测试主要分为两部分：节点与节点之间通信的测试和远程抄表成功率的测试。1)节点测试，本系统选取曲阜师范大学教师公寓30台电表进行测试，部署1个协调器节点、3个集中器节点、30个采集器节点，节点的无线信号发射功率设置为17dBm，节点在空旷的空间通信距离可达150m，经测试，节点通信在楼宇建筑物中可以穿越楼板，并且通信结果受天气影响不大，系统的鲁棒性较强。2)抄表成功率测试，系统定时每月抄表3次，经测试及对测试结果分析，系统一次抄表的成功率为98.7%，二次、三次抄表成功率为100%。测试结果表明，本系统安全可靠、通信可靠、抗干扰性强、功耗低、成功率高、维护方便，既方便了用户，同时又提高了电力工作人员的工作效率和服务质量。

5 结论

本文利用当前比较先进的ZigBee无线短距离通信技术和GPRS技术相结合设计出了一种实用的无线远程抄表系统，本系统具有能耗低、稳定性强、通信安全可靠、鲁棒性强、搭建灵活、运营成本低等特点，可以说是与当前电力系统实际相结合的产物。实际应用中，系统无线抄表成功率高，系统维护简单，完全可以取代人工抄表。同时本系统可移植

性较强，不仅在抄表方面应用前景广阔，在医疗、环境监测等领域也具有很强的市场应用价值。