胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定 

摘要：針對目前人工抄表系統(tǒng)存在的效率低、成本高、使用不方便等問題，本文設(shè)計了一種將藍牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)相結(jié)合的手持式遠程無線抄表終端系統(tǒng)。本文主要介紹了系統(tǒng)設(shè)計的總體架構(gòu)、工作原理以及實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵技術(shù)。手持式遠程無線抄表系統(tǒng)對于克服傳統(tǒng)的人工抄表模式的弊端，實現(xiàn)水、電、煤氣管理的自動化具有重要意義。

關(guān)鍵詞: ZigBee；無線抄表系統(tǒng)；手持式

0引言

隨著科技的發(fā)展，在水、電以及煤氣等公共管理事業(yè)部門中，人工抄表系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的人工抄表方式常常面臨這樣的困境：由于居民家里無人或者井蓋被汽車擋住等原因，抄表工人往往要跑幾趟才能獲得用戶儀表的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。這樣的抄表方式不但抄表工人效率低下，而且對水電煤企業(yè)來說人工成本也很高。因此，改進抄表方法，研發(fā)一套高效率、高可靠性、低成本的遠程無線抄表系統(tǒng)對于克服傳統(tǒng)的人工抄表模式的弊端，實現(xiàn)水、電、煤氣管理的自動化具有重要意義。近年來，隨著自動控制技術(shù)和計算機通信技術(shù)的進步，以紅外、藍牙、GPRS和ZigBee等技術(shù)為代表的無線抄表方式相繼出現(xiàn)。基于 GPRS 技術(shù)抄表方案，其設(shè)計成本較高，不易推廣；掌上機抄表方案，其只能實現(xiàn)半自動化，且不能實現(xiàn)遠程通信；藍牙技術(shù)方案，其功耗大、距離近，比較復(fù)雜，組網(wǎng)規(guī)模太小。鑒于以上各種抄表方式的存在的問題和無線抄表系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，本文設(shè)計提出了一種ZigBee 技術(shù)和藍牙技術(shù)相結(jié)合的遠程無線抄表終端系統(tǒng)，其特點是低功耗、低成本和近距離，并且通信可靠。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的遠程無線抄表終端系統(tǒng)由五大部分構(gòu)成：手持終端模塊、上位機模塊、中繼器模塊、數(shù)據(jù)采集器模塊，如圖1所示。通過Stc15f2k單片機作為表數(shù)據(jù)的讀取中心，通過程序?qū)⒈砩系臄?shù)據(jù)讀取出來，并且通過串口將單片機與ZigBee模塊1相連接使得ZigBee 模塊1和單片機能夠進行通訊，數(shù)據(jù)透傳，同時將 ZigBee模塊1和ZigBee模塊2進行自動組網(wǎng)，設(shè)置ZigBee模塊1成為發(fā)送端，ZigBee模塊2成為接收端，使得兩端的數(shù)據(jù)可以互通，再將ZigBee模塊2與藍牙模塊通過串口連接，使得數(shù)據(jù)可以透傳，通過手機端的藍牙調(diào)試助手和藍牙模塊相連，讓手機上可以顯示出相應(yīng)的讀數(shù)。實現(xiàn)手持式遠程無線抄表系統(tǒng)得以實現(xiàn)。

圖 1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2硬件設(shè)計

硬件的連接分為電位器到單片機系統(tǒng)，單片機到ZigBee模塊1，ZigBee模塊2到藍牙模塊這三個部分。

2.1 單片機

本系統(tǒng)的采集芯片選用STC15F2K60S2芯片，該芯片價格便宜，溫度適應(yīng)性好，且單片機本身帶有ad的功能，不用再配ad芯片，因此只需要把它的ad功能腳引出，編寫相關(guān)程序即可實現(xiàn)相應(yīng)功能。單片機的ad采樣是無線遠程抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程。ad采集的數(shù)據(jù)將從串口發(fā)送給 ZigBee模塊1，從而進入數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)。

2.2 ZigBee模塊及藍牙

ZigBee技術(shù)是廣泛被應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域的一種基于短距離、低速率、低復(fù)雜度，低功耗以及低成本的雙向的無線通信技術(shù)。此技術(shù)工作在2.4GHz ISM頻段，可以達到100m左右的直線傳輸距離，通過外接功率放大器和低噪聲放大器，分別提高相應(yīng)的發(fā)射功率和接收靈敏度傳輸距離可高達幾百甚至上千米。藍牙技術(shù)是一種用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)和話音之間的無線傳輸開放性的規(guī)范，藍牙這種無線通信技術(shù)支持點到點、點到多點的短距離通信，而且成本低廉。藍牙技術(shù)其數(shù)據(jù)通信優(yōu)勢相比其它協(xié)議較為明顯，但由于其傳輸距離比較近的不足，因此單純的藍牙技術(shù)在遠程控制方面應(yīng)用不多。ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論上可以容納65000多個節(jié)點，而藍牙不超過8個，由于一般的無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要節(jié)點較多，所以這一點ZigBee也相對具有較大優(yōu)勢。雖然藍牙技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸速率上比ZigBee技術(shù)大得多，但ZigBee 250kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率對于無線抄表系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠，反觀藍牙功耗大，造價高成為制約其應(yīng)用于無線抄表的主要障礙。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序由單片機ad讀取程序、ZigBee模塊1的數(shù)據(jù)發(fā)送程序、ZigBee模塊2的數(shù)據(jù)接收程序、手機端的數(shù)據(jù)接收程序組成。由于藍牙模塊為透傳功能模塊，所以不需要編程，手機端程序在各大應(yīng)用市場可以下載，所以對這兩個不做深入研究。主要研究單片機ad讀取程序、 ZigBee模塊1的數(shù)據(jù)發(fā)送程序、ZigBee模塊2的數(shù)據(jù)接收程序這三個程序。由于表單元處理并不在此次設(shè)計的計劃范圍之內(nèi)，所以設(shè)計可整體描述為：電位器模擬智能表單元， 單片機定時去讀取電位器上的ad值并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成 0-9999之間的整數(shù)，通過串口傳輸給 ZigBee模塊1，ZigBee模塊1與ZigBee模塊2之間通過P2P連接，將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳給ZigBee模塊2，ZigBee模塊2與藍牙模塊通過串口相連，同時藍牙模塊與手機藍牙相連，數(shù)據(jù)到達手機上，通過藍牙調(diào)試精靈顯示。

4 安科瑞AcrelCloud-3200預(yù)付費水電云平臺

4.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現(xiàn)電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費系統(tǒng)，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關(guān)閥。

4.2 系統(tǒng)功能

AcrelCloud-3200預(yù)付費水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費電能表組成，通過通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報警等功能。
   本系統(tǒng)適用于一些大集團和大物業(yè)，往往需要將多個物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財務(wù)操作分散，在線支付，總部財務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。

遠程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。

水表預(yù)付費:可是查看某區(qū)域水表的實時狀態(tài)信息，并可以進行單表或批量設(shè)置水價控閥等操作。

遠程售電:財務(wù)集中管理，電量實時下發(fā)，并比對充值次數(shù)，方便快捷。

能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務(wù)軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。

在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現(xiàn)在線自助充值水電費，也可以實時關(guān)注商鋪用水用電情況。

短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。

遠程控制:可對任意一塊電表執(zhí)行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。

4.3 產(chǎn)品選型

5結(jié)束語

本文介紹了基于ZigBee技術(shù)的手持式遠程無線抄表系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)有廣闊的應(yīng)用前景，對于克服傳統(tǒng)的人工抄表模式的弊端，實現(xiàn)水、電、煤氣管理的自動化具有重要的現(xiàn)實意義。

【參考文獻】

【1】湯益芳.手持式遠程無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計

【2】王富斌.短距離無線通信技術(shù)在抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.濟南:山東大學(xué)， 2009:89-113．

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06