淺談遠(yuǎn)程預(yù)付費無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

更新時間：2021-09-03 點擊次數(shù)：1111

李婧婧

安科瑞電氣股份有限公司

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(lán)牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)相結(jié)合的手持式遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)抄表方法，研發(fā)一套高效率、高可靠性、低成本的遠(yuǎn)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(jī)通信技術(shù)的進(jìn)步，以紅外、藍(lán)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(jī)抄表方案，其只能實現(xiàn)半自動化，且不能實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信；藍(lán)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(lán)牙技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jī)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(jī)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(jī)與ZigBee模塊1相連接使得ZigBee 模塊1和單片機(jī)能夠進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)透傳，同時將 ZigBee模塊1和ZigBee模塊2進(jìn)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(lán)牙模塊通過串口連接，使得數(shù)據(jù)可以透傳，通過手機(jī)端的藍(lán)牙調(diào)試助手和藍(lán)牙模塊相連，讓手機(jī)上可以顯示出相應(yīng)的讀數(shù)。實現(xiàn)手持式遠(yuǎn)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(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)到ZigBee模塊1，ZigBee模塊2到藍(lán)牙模塊這三個部分。

2.1 單片機(jī)

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(jī)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(jī)的ad采樣是無線遠(yuǎn)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(jìn)入數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)。

2.2 ZigBee模塊及藍(lán)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(dá)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(dá)幾百甚至上千米。藍(lán)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(lán)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(lán)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(lán)牙技術(shù)在遠(yuǎn)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(lán)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(lán)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(lán)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(jī)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(jī)端的數(shù)據(jù)接收程序組成。由于藍(lán)牙模塊為透傳功能模塊，所以不需要編程，手機(jī)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(jī)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(jī)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(lán)牙模塊通過串口相連，同時藍(lán)牙模塊與手機(jī)藍(lán)牙相連，數(shù)據(jù)到達(dá)手機(jī)上，通過藍(lán)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(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費系統(tǒng)，達(dá)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(tuán)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。