劉丹
 

　　安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801
 

　　摘 要：本文基于物聯(lián)網(wǎng)的概念，使用 ZigBee、通用分組無線服務(wù)技術(shù)兩種無線通信技術(shù)相結(jié)合的方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理。此系統(tǒng)設(shè)計主要分為硬件方面的設(shè)計和軟件方面的設(shè)計，硬件方面的設(shè)計需要完成三個部分的硬件制作，包含了采集器、協(xié)調(diào)器、和 GPRS 模塊，需要完成數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ?；軟件設(shè)計主要包括 ZigBee模塊的硬件接口編寫、上位機的數(shù)據(jù)監(jiān)測管理軟件的編寫等。
 

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；GPRS；數(shù)據(jù)庫
 

　　0.引言
 

　　為了率且較準(zhǔn)確的采集居民電力的使用情況，需要對以往的電能抄表技術(shù)進(jìn)行提高和革新。采用遠(yuǎn)程抄表這種方式不需要人員以及物力成本去布置專門的線路，具有抄表準(zhǔn)確高、高工作效率等優(yōu)點 [1] 。在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的理論研究上，國外的研究時間比國內(nèi)早，技術(shù)也更成熟，美國、等歐洲都已經(jīng)得到了廣泛的運用。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵是要使數(shù)據(jù)在通信時保持穩(wěn)定且準(zhǔn)確 [2] 。
 

　　1.遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)硬件總體設(shè)計
 

　　遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計如圖 1 所示，包含電表、RS485 接口、采集器模塊、協(xié)調(diào)器模塊、GPRS 模塊五大部分。
 

圖 1 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)硬件總體設(shè)計框圖
 

　　電表也叫電度表，采用 RS485 通信，為了實現(xiàn)電度表與采集器 D 相互通信 [3] ，需要在兩個模塊之間添加一個電平轉(zhuǎn)換模塊，本系統(tǒng)采用 MAX485 芯片，5V 電源供電，數(shù)據(jù)
 

　　雙向傳輸，傳輸速率 10Mbps。
 

　　ZigBee 模塊采用 CC2530 芯片，采用 3.3V 對其供電，芯片具有與 RF 收發(fā)器功能，可實現(xiàn)短距離內(nèi)數(shù)據(jù)更可靠安全地?zé)o線傳輸、支持 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)。GPRS 模塊主芯片采用 Goouuu-GA6，其工作電壓為5V，可支持 AT 命令口，支持標(biāo)準(zhǔn) AT 和 TCP/IP 命令接口，GA6 具有“永遠(yuǎn)在線”、按量計費、高速傳輸?shù)忍匦浴?br /> 

　　1.1局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)無線收發(fā)天線設(shè)計
 

　　本系統(tǒng)中，主要采用 CC2530 芯片內(nèi)置的數(shù)據(jù)收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)在采集器與集中器之間的數(shù)據(jù)通信，即局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)無線通信。CC2530 芯片內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)無線發(fā)送時TX/RX 的開關(guān)，25、26PIN 引腳為 RF 接收發(fā)器輸入輸出引腳。芯片到天線之間需要一個電路，即平衡-不平衡阻抗變換電路，目的是將前端的射頻信號(差模信號輸出)轉(zhuǎn)為天線的單端輸出，單極子的天線傳輸數(shù)據(jù)時較不穩(wěn)定，需要一個阻抗為 50 歐姆的巴倫匹配電路來使數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定。
 

　　CC2530 芯片可以通過 RF_N 和 RF_P 端口與天線進(jìn)行相連接。天線部分可以使用 PCB 類型天線，本系統(tǒng)采用的是具有 SMA 接口的桿狀天線。天線及巴倫匹配電路設(shè)計如圖 2
 

　　所示。
 

圖 2 天線及巴倫匹配電路設(shè)計
 

　　1.2采集器模塊總體電路設(shè)計
 

　　電表中的數(shù)據(jù)經(jīng)RS485串口傳送到CC2530芯片CPU中，ZigBee 模塊中的 RF 收發(fā)器將數(shù)據(jù)無線發(fā)送，采集器模塊總體電路原理圖如圖 3
 

圖 3 采集器模塊總體電路原理圖
 

　　1.3協(xié)調(diào)器模塊總體電路設(shè)計
 

　　協(xié)調(diào)器端ZigBee模塊的RF收發(fā)器將采集器端發(fā)送的無線數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，通過發(fā)送、接收引腳與 Goouuu-GA6 芯片進(jìn)行通信，利用 GPRS 模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送到上位機監(jiān)控中心，協(xié)調(diào)器模塊總體電路原理圖如圖 4 所示。
 

圖 4 協(xié)調(diào)器模塊總體電路原理圖
 

　　1.4 GPRS模塊電路設(shè)計
 

　　GPRS模塊采用Goouuu-GA6芯片，其主要由電源、天線接口、SIM卡連接電路組成，天線采用彈簧天線，采用3V SIM卡，Goouuu-GA6模塊電路原理圖如圖5所示。
 

圖 5 Goouuu-GA6 模塊電路原理圖
 

　　2.遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計
 

　　遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的軟件程序編寫主要包括各模塊的初始化、建立、連接網(wǎng)絡(luò)、RF天線收發(fā)數(shù)據(jù)、GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)、上位機接收數(shù)據(jù)等部分，系統(tǒng)主程序設(shè)計流程圖如圖6
 

　　所示。
 

       2.1數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

 

　　采集器/協(xié)調(diào)器程序設(shè)計主要采用IAR開發(fā)平臺，使用Z-stack協(xié)議，其包括MAC層、MWK層、HAL驅(qū)動層、APP應(yīng)用層等。
 

　　采集器程序主要包括設(shè)備節(jié)點的初始化、協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)連接、RF接收器實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)?；協(xié)調(diào)器程序主要包括設(shè)備節(jié)點的初始化、建立局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、啟動GPRS模塊、
 

　　接收數(shù)據(jù)并遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)等。
 

　　局域網(wǎng)中采用的無線收發(fā)數(shù)據(jù)程序設(shè)計要保證兩個設(shè)備有著相同的通信頻率、通道號、網(wǎng)絡(luò)ID、才可以實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的無線通信。
 

　　GPRS模塊程序主要包括硬件初始化、附著激活網(wǎng)絡(luò)、連接服務(wù)器、遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)等。通過編寫AT命令的相關(guān)程序來控制GPRS模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸。
 

　　上位機管理軟件程序設(shè)計是采用.Net平臺的Winform開發(fā)，以及ADO.Net平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的訪問、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲、查詢等與數(shù)據(jù)庫相關(guān)的應(yīng)用程序編程。
 

　　Net擁有C/S模式、B/S兩種交互模式，此系統(tǒng)設(shè)計采用的是C/S模式，實現(xiàn)服務(wù)器端對客戶端的連接監(jiān)測和數(shù)據(jù)接收[4]。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序使用Socket網(wǎng)絡(luò)編程[5]；ADO.Net包含用于連接到數(shù)據(jù)庫、執(zhí)行命令和檢索數(shù)據(jù)結(jié)果的一組類庫，可以通過程序的方式訪問主機中的數(shù)據(jù)庫。
 

　　2.2數(shù)據(jù)管理程序設(shè)計
 

　　數(shù)據(jù)管理程序即上位機管理軟件程序主要包括用戶登錄界面程序設(shè)計、服務(wù)器端的IP端口連接監(jiān)測程序設(shè)計以及SQL語句數(shù)據(jù)庫的建立程序設(shè)計。
 

　　用戶登錄界面程序主要包括將輸入到文本框中的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行比較，若相同則可以進(jìn)入數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)，否則無法進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。
 

　　服務(wù)器端的IP端口連接監(jiān)測程序主要包括讀取本機IP和端口號、設(shè)定隊列、等待客戶端的連接并讀取客戶端所發(fā)的數(shù)據(jù)并存入到數(shù)據(jù)庫中。
 

　　SQL語句數(shù)據(jù)庫的建立程序設(shè)計包括用戶登錄信息數(shù)據(jù)庫的建立程序設(shè)計以及對客戶端向服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲的數(shù)據(jù)庫的建立程序設(shè)計。
 

　　3.系統(tǒng)實現(xiàn)
 

　　采集器端采集的數(shù)據(jù)通過RF天線無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過GPRS自帶的Internet技術(shù)將字符串遠(yuǎn)程的傳輸?shù)缴衔粰C服務(wù)器端，系統(tǒng)硬件實現(xiàn)部分如圖7。
 

圖7 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)部分
 

　　用戶登錄界面設(shè)計實現(xiàn)如圖8，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)查詢設(shè)計實現(xiàn)如圖9。
 

圖 8 用戶登錄界面設(shè)計實現(xiàn)
 

圖 9 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)查詢設(shè)計實現(xiàn)
 

　　4.安科瑞遠(yuǎn)程預(yù)付費抄表系統(tǒng)的介紹及其應(yīng)用
 

　　4.1系統(tǒng)簡介
 

　　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。
 

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

　　水表預(yù)付費:可是查看某區(qū)域水表的實時狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設(shè)置水價控閥等操作。
 

       遠(yuǎn)程售電:財務(wù)集中管理，電量實時下發(fā)，并比對充值次數(shù)防止，方便快捷。

 

　　能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)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，包含用戶表的能耗、財務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財務(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現(xiàn)在線自助充值水電費，也可以實時關(guān)注商鋪用水用況。
 

    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設(shè)備選型
 

       5.結(jié)束語

 

　　基于物聯(lián)網(wǎng)的概念，采用ZigBee、通用分組無線服務(wù)技術(shù)兩種無線通信技術(shù)相結(jié)合的方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理。充分發(fā)揮通信技術(shù)和計算機技術(shù)的作用，降低了現(xiàn)場布線的復(fù)雜難度，獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。使用ZigBee技術(shù)，會使得設(shè)備節(jié)點更加地不費電，同時功耗很低，這樣就增加了使用的時間；采用的GPRS技術(shù)，選擇的是TCP/IP通信模式，用戶可以不必詳細(xì)了解其數(shù)據(jù)交換的全過程；上位機控制中心，采用.Net與ADO.Net相結(jié)合的方式實現(xiàn)直接對遠(yuǎn)程接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和存儲。
 

　　參考文獻(xiàn)
 

　　[1] 霍弘宇.基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程抄表應(yīng)用研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2014.
 

　　[2] 何穎秋,郭俞君.基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計[J].
 

　　[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版.