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存在的效率低、成本高、使用不方便等問(wèn)題，本文設計了一種將藍牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)相結合的手持式遠程無(wú)線(xiàn)抄表終端系統。本文主要介紹了系統設計的總體架構、工作原理以及實(shí)現系統功能的關(guān)鍵技術(shù)。手持式遠程無(wú)線(xiàn)抄表系統對于克服傳統的人工抄表模式的弊端，實(shí)現水、電、煤氣管理的自動(dòng)化具有重要意義。

關(guān)鍵詞: ZigBee；無(wú)線(xiàn)抄表系統；手持式

0引言

隨著(zhù)科技的發(fā)展，在水、電以及煤氣等公共管理事業(yè)部門(mén)中，人工抄表系統得到了廣泛的應用。但是，傳統的人工抄表方式常常面臨這樣的困境：由于居民家里無(wú)人或者井蓋被汽車(chē)擋住等原因，抄表工人往往要跑幾趟才能獲得用戶(hù)儀表的準確數據。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(lái)說(shuō)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、低成本的遠程無(wú)線(xiàn)抄表系統對于克服傳統的人工抄表模式的弊端，實(shí)現水、電、煤氣管理的自動(dòng)化具有重要意義。近年來(lái)，隨著(zhù)自動(dòng)控制技術(shù)和計算機通信技術(shù)的進(jìn)步，以紅外、藍牙、GPRS和ZigBee等技術(shù)為代表的無(wú)線(xiàn)抄表方式相繼出現?；?span> GPRS 技術(shù)抄表方案，其設計成本較高，不易推廣；掌上機抄表方案，其只能實(shí)現半自動(dòng)化，且不能實(shí)現遠程通信；藍牙技術(shù)方案，其功耗大、距離近，比較復雜，組網(wǎng)規模太小。鑒于以上各種抄表方式的存在的問(wèn)題和無(wú)線(xiàn)抄表系統的發(fā)展趨勢，本文設計提出了一種ZigBee 技術(shù)和藍牙技術(shù)相結合的遠程無(wú)線(xiàn)抄表終端系統，其特點(diǎn)是低功耗、低成本和近距離，并且通信可靠。

1 系統總體結構

本文設計的遠程無(wú)線(xiàn)抄表終端系統由五大部分構成：手持終端模塊、上位機模塊、中繼器模塊、數據采集器模塊，如圖1所示。通過(guò)Stc15f2k單片機作為表數據的讀取中心，通過(guò)程序將表上的數據讀取出來(lái)，并且通過(guò)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(jìn)行通訊，數據透傳，同時(shí)將 ZigBee模塊1和ZigBee模塊2進(jìn)行自動(dòng)組網(wǎng)，設置ZigBee模塊1成為發(fā)送端，ZigBee模塊2成為接收端，使得兩端的數據可以互通，再將ZigBee模塊2與藍牙模塊通過(guò)串口連接，使得數據可以透傳，通過(guò)手機端的藍牙調試助手和藍牙模塊相連，讓手機上可以顯示出相應的讀數。實(shí)現手持式遠程無(wú)線(xiàn)抄表系統得以實(shí)現。

圖 1 系統總體架構圖

2硬件設計

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

2.1 單片機

本系統的采集芯片選用STC15F2K60S2芯片，該芯片價(jià)格便宜，溫度適應性好，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(xiě)相關(guān)程序即可實(shí)現相應功能。單片機的ad采樣是無(wú)線(xiàn)遠程抄表系統的數據采集過(guò)程。ad采集的數據將從串口發(fā)送給 ZigBee模塊1，從而進(jìn)入數據傳遞系統。

2.2 ZigBee模塊及藍牙

ZigBee技術(shù)是廣泛被應用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的一種基于短距離、低速率、低復雜度，低功耗以及低成本的雙向的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)傳輸距離，通過(guò)外接功率放大器和低噪聲放大器，分別提高相應的發(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(lái)實(shí)現數據和話(huà)音之間的無(wú)線(xiàn)傳輸開(kāi)放性的規范，藍牙這種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的短距離通信，而且成本低廉。藍牙技術(shù)其數據通信優(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)在遠程控制方面應用不多。ZigBee網(wǎng)絡(luò )理論上可以容納65000多個(gè)節點(diǎn)，而藍牙不超過(guò)8個(gè)，由于一般的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )需要節點(diǎn)較多，所以這一點(diǎn)ZigBee也相對具有較大優(yōu)勢。雖然藍牙技術(shù)在數據傳輸速率上比ZigBee技術(shù)大得多，但ZigBee 250kbps的數據傳輸速率對于無(wú)線(xiàn)抄表系統來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠，反觀(guān)藍牙功耗大，造價(jià)高成為制約其應用于無(wú)線(xiàn)抄表的主要障礙。

3 系統軟件設計

主程序由單片機ad讀取程序、ZigBee模塊1的數據發(fā)送程序、ZigBee模塊2的數據接收程序、手機端的數據接收程序組成。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用市場(chǎng)可以下載，所以對這兩個(gè)不做深入研究。主要研究單片機ad讀取程序、 ZigBee模塊1的數據發(fā)送程序、ZigBee模塊2的數據接收程序這三個(gè)程序。由于表單元處理并不在此次設計的計劃范圍之內，所以設計可整體描述為：電位器模擬智能表單元， 單片機定時(shí)去讀取電位器上的ad值并將數據轉化成 0-9999之間的整數，通過(guò)串口傳輸給 ZigBee模塊1，ZigBee模塊1與ZigBee模塊2之間通過(guò)P2P連接，將數據通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳給ZigBee模塊2，ZigBee模塊2與藍牙模塊通過(guò)串口相連，同時(shí)藍牙模塊與手機藍牙相連，數據到達手機上，通過(guò)藍牙調試精靈顯示。

4 安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺

4.1 系統方案

系統為B/S架構，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺集抄服務(wù)，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶(hù)計量箱ADF300L系列，實(shí)現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付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。

4.2 系統功能

AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關(guān)-預付費電能表組成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )完成系統到表的充值、查詢(xún)、監控、控制及短信報警等功能。
   本系統適用于一些大集團和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)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(zhù)數據公網(wǎng)傳輸，財務(wù)操作分散，在線(xiàn)支付，總部財務(wù)扎口等復雜的需求。

遠程集中抄表：抄表信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。

水表預付費:可是查看某區域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設置水價(jià)控閥等操作。

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

能耗分析:用戶(hù)和管理員都可查詢(xún)預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(hù)表的能耗、財務(wù)數據、能耗和財務(wù)的期初期末值等數據。

在線(xiàn)支付:商戶(hù)可以通過(guò)小程序或者微信公眾號實(shí)現在線(xiàn)自助充值水電費，也可以實(shí)時(shí)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(shí)短信通知商戶(hù)。

遠程控制:可對任意一塊電表執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結束語(yǔ)

本文介紹了基于ZigBee技術(shù)的手持式遠程無(wú)線(xiàn)抄表系統設計與實(shí)現方案。該系統有廣闊的應用前景，對于克服傳統的人工抄表模式的弊端，實(shí)現水、電、煤氣管理的自動(dòng)化具有重要的現實(shí)意義。

【參考文獻】

【1】湯益芳.手持式遠程無(wú)線(xiàn)抄表系統的設計

【2】王富斌.短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在抄表系統中的應用［D］.濟南:山東大學(xué)， 2009:89-113．

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06