摘要：針對傳統的手工抄表方式費時、費力，以及準確性和及時性都得不到保障的缺點，基于GPRS網絡和ZigBee無線通信技術，構建了一種無線抄表系統。該系統避免了長距離布線和復雜的線路干擾，可以快速抄寫并實時上傳表上的數據，且數據傳輸可靠。結果表明，此無線抄表系統能夠準確、可靠地完成數據的采集、處理以及傳輸等功能，完全滿足要求。

　　0 引言

　　隨著城市居民住宅建設日益發(fā)展，抄表計量也日趨復雜。傳統的手工抄表方式費時、費力，準確性和及時性都得不到保障，已經不適應社會的發(fā)展需求。雖然目前自動抄表系統的研制開發(fā)在我國有著強勁的發(fā)展勢頭，但實際應用的自動抄表系統的通信介質大多都采用總線方式。目前，國內比較流行的是RS一485總線，其復雜的布線不僅會對用戶家中的裝修造成很大的破壞，而且也使得系統調試和維護困難重重，這在很大程度上影響了自動抄表系統的推廣和應用，所以迫切需要尋求一種無線的解決方案。

　　對此，本文提出了一種基于GPRS網絡和ZigBee無線通用技術的無線抄表系統技術方案。此方案不僅能滿足遠程自動抄表系統的迫切需要，促進抄表系統自動化的發(fā)展，而且在科研上提出了一種新的設計思想，即將ZigBee技術和GPRS通信技術相結合。

　　1 系統總體結構設計

　　抄表系統整體由監(jiān)控中心站、GPRS無線數傳終端DTU（data transfer unit）和數據采集終端三大部分構成。其中，監(jiān)控中心站主要由監(jiān)控中心計算機、企業(yè)內部局域網（Intranet）和數據庫服務器等外圍設備組成；GPRS無線數傳終端由MSP430F149單片機及外圍電路和Motorola公司生產的G24無線通信模塊兩部分組成；數據采集終端采用的是Chipcon公司生產的CC2430產品。系統基于ZigBee技術進行收發(fā)信號，通過ZigBee終端節(jié)點進行采集數據，然后經ZigBee總結點協調器將采集的數據傳給DTU，通過GPRS網絡傳給監(jiān)控中心。無線抄表系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

　　2 系統硬件設計

　　2.1 數傳終端硬件設計

　　GPRS數傳終端DTU是數據采集端與監(jiān)控中心之間數據傳輸的橋梁。通過GPRS網絡，現場數據能夠及時傳送到監(jiān)控中心計算機中，同樣，監(jiān)控中心的查詢或控制命令也可以通過GPRS網絡發(fā)送給采集終端 。數傳終端的主要功能有：① 數據的存儲、轉發(fā)和遇錯重發(fā)ARQ（automatic repeat—request）；② 為監(jiān)控中心和數據采集端建立一個透明的連接；③ 數據傳輸過程中可使用密匙檢驗。

　　數傳終端主要由GPRS無線數傳模塊、數據通信接口、串行存儲模塊、微處理器（MCU）、電源模塊及JTAG接口與復位模塊組成。其硬件框圖如圖2所示。

圖2 數傳終端的硬件結構框圖

　　系統設計時，考慮所要實現的任務、性價比和片內資源等問題，選擇TI公司的MSP430F149作為系統的中央處理器。TI公司的MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，其中包括一系列器件，它們根據不同的應用而由各種不同的模塊組成。其中MSP430F149是一款片內帶Flash存儲器的MSP430單片機。它具有16位RISC結構，CPU中的16個寄存器和常數發(fā)生器使其能達到的代碼效率；靈活的時鐘源可以使器件功率消耗降至；數字控制的振蕩器DCO（digital control oscillator）可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6 uS的時問內激活到活躍的工作方式。

　　GPRS無線通信模塊選用的是Motorola公司生產的G24模塊。G24模塊是一款高速的GSM／GPRS／EDGE模塊，支持850／900／1 800／1 9OO MHz四種頻率，所在頻段功耗分別為2 w（850／900 MHz）和1 w（1 800／1 900 MHz）；自動波特率范圍為300 bit／s～115 kbit／s，由標準的AT指令控制。G24模塊通過一個70 PIN、0.5 mm間距的表面安裝插座和應用電路板相連，其外圍電路主要由供電電路、SIM卡接口電路和串行口電路等幾大部分組成。

　　MSP430F149有USART 和USART 兩個串行通信模塊，分別與G24模塊和ZigBee網絡總結點協調器進行通信；使用了Flash存儲器，存儲器有主存儲器段和信息段兩種類型，應用程序存儲在主存儲器段，數傳終端的設置信息通過對Flash信息段的編程和擦除寫入；其余的通用I／O端口分別實現數傳終端的各種控制和傳輸功能。

　　2.2 數據采集端硬件設計

　　ZigBee技術是一種新的短矩離無線通信技術，它具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的特性。由于整個抄表系統采集的數據量小，對傳輸速率要求不高，且現場由電池供電，因此，ZigBee技術符合此要求。ZigBee網絡包含三種類型的節(jié)點，即協調器zc（ZigBee coordinator）、路由器ZR（ZigBee router）和終端設備ZE（ZigBee end device）。其中，協調器和路由器均為全功能設備FFD（full function device），而終端設備選用精簡功能設備RFD（reduced function de—vice）。

　　CC2430是一個真正的系統芯片（SoC）COMS解決方案，這種解決方案能夠提高數據采集終端的性能，并滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用對低成本、低功耗的要求。它包括了1個高性能的2.4 GHz直接序列擴頻DSSS（direct sequence spread spectrum）射頻收發(fā)器和1個工業(yè)級小巧高效的80.51控制器，在單個芯片上集成了ZigBee射頻RF（radio fre.

　　quency）前端、內存和微控制器；具有2／64／128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，還包括ADC、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，可實現節(jié)點的微型化。

　　CC2430無線單片機功耗非常低，待機時電流消耗僅為0.2 A，在32 kHz晶體時鐘下運行時，電流消耗也小于1 A，使用小型電池壽命可以長達10年。節(jié)點硬件框圖如圖3所示。

圖3 節(jié)點硬件設計框圖

　　為了實現網絡的硬件基礎架構，將硬件設計分為無線收發(fā)模塊和無線測試模塊兩大部分。無線收發(fā)模塊電路包括CC2430芯片及其相關外圍電路。由于CC2430將8051內核與無線收發(fā)模塊集成到一個芯片當中，簡化了電路的設計過程，省去了對單片機與無線收發(fā)芯片之間接口電路的設計，縮短了研發(fā)周期。無線測試模塊電路主要有測試電路、JTAG電路、供電電路和串口轉換電路四部分，它為實現節(jié)點程序的、在線調試、開關與LED指示燈模擬測試、節(jié)點信息數據以及網絡數據傳輸提供硬件接口。

　　3 系統軟件設計

　　3.1 數傳終端軟件設計

　　系統采用c語言作為開發(fā)工具，軟件開發(fā)環(huán)境為廣泛應用的MSP430開發(fā)軟件IAR集成開發(fā)環(huán)境，包括IAR嵌入式工作臺（embedded workbench）和C—SPY調試器。在此，系統重點解決監(jiān)控中心與數據采集終端的通信問題，采用GPRS無線通信模塊G24實現兩者的數據通信，監(jiān)控中心采用個人PC機，GPRS無線通信模塊G24通過AT指令來進行控制，數據傳輸采用內置TCP／IP發(fā)送數據。

　　數傳終端軟件設計部分可分為初始化模塊、數據發(fā)送處理模塊、數據接收處理模塊、數據存取模塊和串口中斷等。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程示意圖

　　主程序的任務是將幾個功能模塊聯結成一個整體，處理各個功能模塊之間的調度任務，實現系統的穩(wěn)定高效運行。主程序首先完成整個系統的初始化設置，包括單片機的初始化和G24模塊的初始化；然后通過AT+MIPCALL指令控制G24模塊建立GPRS網絡連接，如果GPRS網絡能正常登錄即模塊成功獲得一個動態(tài)分配的IP地址，則通過AT+MIPOPEN指令控制模塊建立一個和遠端服務器（即監(jiān)控中心服務器）的Socket連接。數傳終端和監(jiān)控中心服務器成功建立聯系后，系統進入主循環(huán)，主程序在主循環(huán)中通過查詢各功能標志來判斷是否需要進入相應的模塊進行處理。各個模塊在完成各自的任務后通過改變標志的方式通知主程序可以繼續(xù)執(zhí)行下一步工作。

　　3.2 數據采集端軟件設計

　　數據采集端的軟件設計主要包括協調器ZC節(jié)點軟件設計和終端設備ZE節(jié)點軟件設計 。協調器通過串口RS-232和數傳終端相連，并將各終端節(jié)點采集的數據通過數傳終端傳給監(jiān)控中心。由于實際情況中采集的數據是各用戶的用表數據，所以監(jiān)控中心必須要對監(jiān)測區(qū)域有宏觀的把握，即將數據和各用戶對應起來。這就需要每個終端設備節(jié)點在加入網絡后把網絡地址發(fā)送給協調器，協調器收到終端節(jié)點的網絡地址后建立地址表并存儲起來，以便采集數據時依據地址表來采集每個終端節(jié)點的數據。協調器節(jié)點和終端設備節(jié)點軟件設計流程總圖如圖5所示。

圖5 協調器和終端節(jié)點程序流程總圖

　　3.3 系統軟件實現方案

　　當終端節(jié)點成功加入網絡后，各節(jié)點會按照人網先后順序自動獲得一個網絡地址，并將網絡地址發(fā)給協調器。當協調器收到信息時，根據數據的個標志字符來判斷是終端節(jié)點的網絡地址還是節(jié)點采集的數據。若是網絡地址，則把該網絡地址存儲在地址表里，然后把網絡地址通過串口發(fā)送給數傳終端，經數傳終端傳給上位機，由上位機作進一步處理；若是節(jié)點采集的數據信息，需要把該數據存到臨時數組里，依據地址表采集下一個節(jié)點的數據信息，當整個監(jiān)測區(qū)域的節(jié)點數據采集完畢后，根據臨時數組里的數據作融合，并把終結果傳給監(jiān)控中心。同時，在監(jiān)控中心的上位機中建立一個數據庫，分別將各節(jié)點的地址和該節(jié)點采集的數據一一對應起來，這樣就實現了各用戶用表數據的準確抄讀。

　　4 結束語

　　基于GPRS無線通信技術的遠程自動抄表系統，結合基于ZigBee技術的數據采集設備，改變了以往全人工抄表的模式，從本質上提高了抄表人員的工作效率和準確率；集中抄表范圍廣且安裝、維護方便，不需要進行專門布線，同時可對表具設備進行遠程控制、參數調整和開關等控制操作。在實際應用中，可根據抄表用戶的不同分布，靈活地構建抄表的無線網絡，甚至可以將ZigBee無線模塊集成到電能表、水表和燃氣表中，從而完全實現居民區(qū)集中抄表、無布線和快速組網以及三表統一抄收的功能。