摘 要： 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ZigBee和Internet的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。感知層利用智能傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、頻率、功率、電能等用電信息的采集。傳輸層采用ZigBee短距離通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)信息的匯聚，并利用嵌入式以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到Internet數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)廣域網(wǎng)路由器接入Internet。應(yīng)用層通過(guò)信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表與信息管理。測(cè)試表明，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。
關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；遠(yuǎn)程抄表；ZigBee；Internet；嵌入式以太網(wǎng)
0 引言
盡管物聯(lián)網(wǎng)還是一個(gè)發(fā)展的概念，然而把實(shí)物納入網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)該是信息化發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)[1]。傳統(tǒng)的抄表方式已不能滿足物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，因此遠(yuǎn)程無(wú)線抄表是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要應(yīng)用方向。國(guó)內(nèi)當(dāng)前實(shí)現(xiàn)無(wú)線抄表系統(tǒng)的技術(shù)主要有GPRS、GSM、電力載波、RS485、藍(lán)牙等[2]，但是均存在成本高、抗干擾能力差、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小、功耗大等缺點(diǎn)[3]。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的無(wú)線通信技術(shù)，具有功耗低、組網(wǎng)方便、網(wǎng)絡(luò)可靠性高、網(wǎng)絡(luò)容量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在智能家居和通信速率要求不高的工業(yè)控制領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢(shì)[4]。
結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶的契機(jī)，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee和Internet的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上任何人任何地點(diǎn)任何時(shí)間抄表。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)框圖如圖1所示。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集、處理和轉(zhuǎn)發(fā)用戶用電信息，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)收集、整理各節(jié)點(diǎn)信息，遠(yuǎn)程智能控制各節(jié)點(diǎn)的繼電器以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶用電入口的控制。ZigBee路由器協(xié)助協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)之間的通信，以滿足遠(yuǎn)距離傳輸要求。智能網(wǎng)關(guān)部分實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與Internet數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。嵌入式網(wǎng)頁(yè)域名解析服務(wù)開(kāi)通后，只要嵌入式設(shè)備連接在網(wǎng)絡(luò)中，擁有權(quán)限的管理員便可以通過(guò)信息管理系統(tǒng)，通過(guò)域名訪問(wèn)和管理內(nèi)嵌網(wǎng)頁(yè)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表與遠(yuǎn)程控制。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)、信息管理三部分組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點(diǎn)、路由器、協(xié)調(diào)器三部分組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭用電信息的采集、整理和匯聚，以及與智能網(wǎng)關(guān)的通信。智能網(wǎng)關(guān)由嵌入式以太網(wǎng)模塊加廣域網(wǎng)路由器組成，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收，ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與Internet數(shù)據(jù)的交換，以及解析網(wǎng)頁(yè)遠(yuǎn)程控制指令。信息管理部分由內(nèi)嵌網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)、域名服務(wù)的申請(qǐng)以及信息管理系統(tǒng)三部分組成，主要實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)家庭用電信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及管理員對(duì)用戶數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)
2.1.1 終端節(jié)點(diǎn)
終端節(jié)點(diǎn)主要由CC2530最小模塊、電源模塊、電量計(jì)量芯片RN8209G和數(shù)字溫度計(jì)DS18B20組成，如圖2所示。
CC2530最小模塊包含RF天線模塊和系統(tǒng)所需晶振等最少硬件，21個(gè)引腳全部引出，故使用時(shí)很方便，只需設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的外圍電路即可。
電源模塊由開(kāi)關(guān)電源和電池組組成，雙電源的設(shè)計(jì)是源于無(wú)線抄表系統(tǒng)的特殊性，它本身是為了采集市電信息，因此大部分時(shí)間直接利用開(kāi)關(guān)電源供電即可，只有出現(xiàn)了異常情況（如電網(wǎng)斷電），為了維護(hù)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)數(shù)據(jù)，才啟用備用電源供電，這樣可以減少電池的使用，從而節(jié)省成本。
RN8209G是國(guó)產(chǎn)的一款單相防竊電專用電量計(jì)量IC，可靠性高、精度高、開(kāi)發(fā)難度小且成本低廉，適于推廣。它含一個(gè)電壓通道、一個(gè)零線電流通道和一個(gè)火線電流通道。經(jīng)過(guò)專業(yè)設(shè)備的校表后，通過(guò)電壓傳感器和電流互感器，就可以準(zhǔn)確測(cè)量電壓、電流、頻率、功率、電能等信息。轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)寄存器中[5]，MCU CC2530模塊通過(guò)串口SPI或者UART與其通信，讀取相應(yīng)寄存器的值即可。
DS18B20主要實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)溫度的監(jiān)測(cè)，協(xié)助協(xié)調(diào)器對(duì)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀況的判斷。當(dāng)節(jié)點(diǎn)電流過(guò)大或者節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，協(xié)調(diào)器會(huì)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)切斷相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的用電，打開(kāi)報(bào)警器，達(dá)到自動(dòng)保護(hù)電網(wǎng)的作用。
2.1.2 路由器
路由器基于CC2530設(shè)計(jì)，并通過(guò)CC2591射頻放大集成電路對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大，增加了信號(hào)有效傳輸距離，提高了信號(hào)強(qiáng)度，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院途W(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性[6]。對(duì)于光纖未覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)，可以加多級(jí)路由器，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。CC2530和CC2591通過(guò)3根控制線和3根數(shù)據(jù)線相連。
2.1.3 協(xié)調(diào)器
協(xié)調(diào)器主要由CC2530最小模塊、電源、時(shí)間芯片DS1302、溫度計(jì)DS18B20、12864顯示屏和按鍵組成，如圖3所示。
CC2530最小模塊、電源、溫度計(jì)DS18B20功能與節(jié)點(diǎn)中的相同，故不再重復(fù)。時(shí)間芯片DS1302顯示系統(tǒng)工作時(shí)間，協(xié)助協(xié)調(diào)器對(duì)節(jié)點(diǎn)的控制與管理。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點(diǎn)信息的收集與處理，轉(zhuǎn)發(fā)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。
2.2 智能網(wǎng)關(guān)
智能網(wǎng)關(guān)由嵌入式以太網(wǎng)模塊ZLSB2030和廣域網(wǎng)路由器組成，如圖4所示。
嵌入式以太網(wǎng)模塊ZLSB2030功能豐富，支持包括100個(gè)TCP連接、DNS、DHCP、串口類AT控制命令等；ZLSB2030開(kāi)發(fā)十分簡(jiǎn)單，用戶只需當(dāng)作串口收發(fā)即可。ZLSB2030內(nèi)部集成ZLAN_DDNS協(xié)議，當(dāng)用戶需要訪問(wèn)某個(gè)模塊時(shí)，首先需要獲得模塊當(dāng)前的外網(wǎng)IP地址，此時(shí)，用戶只要將這個(gè)模塊的唯一編號(hào)作為前綴來(lái)訪問(wèn)域名即可直接訪問(wèn)此模塊[7]。
ZLSB2030通過(guò)串口與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相連，通過(guò)交叉網(wǎng)線與廣域網(wǎng)路由器相連，廣域網(wǎng)路由器與外網(wǎng)相連，便可以實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與Internet數(shù)據(jù)的交換。
2.3 信息管理
信息管理部分由內(nèi)嵌網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)、域名服務(wù)的申請(qǐng)以及信息管理系統(tǒng)三部分組成。
2.3.1 內(nèi)嵌網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)
嵌入式網(wǎng)頁(yè)由兩級(jí)界面構(gòu)成，分為登錄界面和系統(tǒng)顯示界面，如圖5所示，用HTML語(yǔ)言和Java Script腳本語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。設(shè)置系統(tǒng)賬戶名和登錄密碼以確保數(shù)據(jù)的安全性。
ZLSN2030動(dòng)態(tài)顯示網(wǎng)頁(yè)有txt_control和串口讀寫(xiě)網(wǎng)頁(yè)兩種方案可選，兩種方案比較如表1所示[8]。
若節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)32，選擇串口讀寫(xiě)網(wǎng)頁(yè)方案較為實(shí)用，不過(guò)需要盡量減少數(shù)據(jù)修改次數(shù)，以延長(zhǎng)該模塊的生命周期；若節(jié)點(diǎn)數(shù)低于32，優(yōu)先選擇txt_control方案。
通信時(shí)，ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送固定格式的指令加采集的數(shù)據(jù)，便可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌網(wǎng)頁(yè)的修改以及遠(yuǎn)程控制。例如指令（十六進(jìn)制）格式為：ed f2 a3 56 ca db 91 84 b0 d7 0c 10 74 78 74 5f 63 74 72 00。其中ed f2 a3 56 ca db 91 84 b0 d7 是標(biāo)志字符，0c是txt_control 的命令代碼，10是十六進(jìn)制表示，74 78 74 5f 63 74 72 00是指要替換的字符串，此指令表示要設(shè)置<TX16>的替換字符串。此時(shí)打開(kāi)含有TX16控件的網(wǎng)頁(yè)，刷新一下即可看到內(nèi)嵌網(wǎng)頁(yè)對(duì)應(yīng)控件處出現(xiàn)了修改后的信息。
2.3.2 DDNS服務(wù)申請(qǐng)
利用ADSL上網(wǎng)的用戶，IP一般是基于DHCP協(xié)議分派的，因此用戶不同時(shí)間段獲得的IP是不同的[8]。為了使遠(yuǎn)程抄表不需知道用戶的外網(wǎng)IP也能訪問(wèn)內(nèi)嵌網(wǎng)頁(yè)，需申請(qǐng)DDNS。目前國(guó)內(nèi)較為著名的DDNS服務(wù)提供商有花生殼、ZoneEdit等，它們均有相應(yīng)免費(fèi)DDNS服務(wù)，對(duì)于遠(yuǎn)程抄表這樣一個(gè)數(shù)據(jù)流量不是很大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，利用它們的免費(fèi)服務(wù)就足夠了。用戶只需把嵌入式設(shè)備連在廣域網(wǎng)路由器即可。DDNS服務(wù)開(kāi)通后，用戶可以通過(guò)訪問(wèn)內(nèi)嵌網(wǎng)頁(yè)來(lái)了解家庭用電情況。
2.3.3 信息管理系統(tǒng)
信息管理系統(tǒng)結(jié)合Java和SQL開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，功能豐富。信息管理系統(tǒng)框圖如圖6所示。
把所有用戶的內(nèi)嵌網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，本質(zhì)是對(duì)用戶內(nèi)嵌服務(wù)器數(shù)據(jù)的收集與整理，形成一個(gè)用戶用電信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表與信息管理。通過(guò)對(duì)各用戶用電數(shù)據(jù)的跟蹤、處理與分析，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，可以有效防止用戶偷電漏電等異常用電情況和違規(guī)用電行為。
3 結(jié)論
本文緊緊圍繞物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)，緊密結(jié)合智能家居和智能用電的新概念，提出基于ZigBee和Internet技術(shù)的遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短、成本低廉、組網(wǎng)方便、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)誤碼率低等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)實(shí)際的測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)基本達(dá)到預(yù)期效果。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，若添加遠(yuǎn)程刷卡、網(wǎng)絡(luò)繳費(fèi)等功能，會(huì)帶來(lái)更大的便捷，這也是今后的研究方向。
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