淺談遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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(jì)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(jì)的總體架構(gòu)、工作原理以及實(shí)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(shí)現(xiàn)水、電、煤氣管理的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)水、電、煤氣管理的自動(dòng)化具有重要意義。近年來，隨著自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)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)?；?span> GPRS 技術(shù)抄表方案，其設(shè)計(jì)成本較高，不易推廣；掌上機(jī)抄表方案，其只能實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化，且不能實(shí)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(jì)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(diǎn)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(jì)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(shí)將 ZigBee模塊1和ZigBee模塊2進(jìn)行自動(dòng)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(shí)現(xiàn)手持式遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。

圖 1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2硬件設(shè)計(jì)

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(gè)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(jià)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(shí)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(dòng)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(shí)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(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)，而藍(lán)牙不超過8個(gè)，由于一般的無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要節(jié)點(diǎn)較多，所以這一點(diǎn)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(jià)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(jì)

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(gè)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(gè)程序。由于表單元處理并不在此次設(shè)計(jì)的計(jì)劃范圍之內(nèi)，所以設(shè)計(jì)可整體描述為：電位器模擬智能表單元， 單片機(jī)定時(shí)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(shí)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(fèi)水電云平臺(tái)

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(tái)集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費(fèi)電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計(jì)量箱ADF300L系列，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)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(fèi)系統(tǒng)，達(dá)到先交費(fèi)后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。

4.2 系統(tǒng)功能

AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)由云平臺(tái)-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)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(bào)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(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費(fèi)和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財(cái)務(wù)操作分散，在線支付，總部財(cái)務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。

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

水表預(yù)付費(fèi):可是查看某區(qū)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(shè)置水價(jià)控閥等操作。

遠(yuǎn)程售電:財(cái)務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)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(fèi)表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財(cái)務(wù)軌跡一體式綜合管理報(bào)表，包含用戶表的能耗、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財(cái)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(shí)現(xiàn)在線自助充值水電費(fèi)，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(fèi)提醒、電表充值到賬提醒，都可及時(shí)短信通知商戶。

遠(yuǎn)程控制:可對任意一塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等一系列遠(yuǎn)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(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)現(xiàn)水、電、煤氣管理的自動(dòng)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【參考文獻(xiàn)】

【1】湯益芳.手持式遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

【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(jì)南:山東大學(xué)， 2009:89-113．

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