摘要：为了解决传统抄表收费方式实时性差、准确性低、收费难等问题，提出了一种基于ZigBee技术和GPRS技术的低功耗、低成本无线抄表系统。采集器、集中器由低功耗片上的CC2430构成，数据通讯由ZigBee传感器网络进行，并与远程无线网络GPRS相结合，可实现对数据的定时采集。该系统实现了对电能表高效精准、操作便捷的远程数据采集，提高了远程无线抄表的效率。 

　　关键词：ZigBee； 远程抄表； GPRS； 数据采集 

　　Research and Design of A Remote Meter Reading System based on ZigBee 

　　（Aba Teachers College， Wenchuan Sichuan 623002， China） 

　　Abstract：Aiming at the problems of real-time performance， accuracy， charging of traditional meter reading， this paper proposes a low power consumption and low cost wireless meter reading system based on ZigBee and GPRS technology. Collector and concentrator consist of a chip CC2430 of low power dissipation， data communication could be conducted by the ZigBee sensor network， and combined with remote GPRS wireless network， the aboved integration can realize the timing of data collection. The system has realized remote data acquisition of watt-hour meter with precise and convenient operation， which improves the efficiency of remote wireless meter reading. 

　　Key words：ZigBee； Remote Meter Reading； GPRS； Data Acquisition 

　　引言 

　　目前，传统的工作方式面临颠覆性的巨大挑战，已不能满足人们的生活需求和时代发展需要。人工抄表收费的形式即是其典型实例，其实时性差、收费困难及精度低微的弊端早已暴露[1]。随着信息技术水平的不断进步和提高，无线自动抄表技术则备受各方的瞩目和关注，其中最为常见的就是一种低成本、近距离、低复杂度和低传输速率无线射频技术，但同时却仍然具有组网不变、抗干扰能力差、系统稳定性不足、灵活度不高以及节点添加和删除复杂等问题[2-3]。 

　　鉴于此，本文提出了一种基于ZigBee技术和GPRS技术的远程无线抄表系统。ZigBee技术是一种低成本、低功耗、低传输速率的无线网络技术，拥有完整的通信协议栈[4]。网络功能强大，可以实现自我维护、自组网功能，因而具备普通射频无线网络不可比拟的技术优势。该系统能实现用户电能数据的远程抄录，便于电力系统的管理。与此同时，还进一步有着无需布线、数据实时性强、准确性和可靠性高的优点及特性。 

　　1系统的总体结构设计 

　　抄表系统总体结构可分上、中、下三层。其中，下层部分是ZigBee模块的数据采集，该模块中，用户处安装具有RS485总线功能的电能表，并采取主从方式的一对多拓扑结构构成底层。每个RFD模块也就是一个数据采集器，采集器和采集器之间利用网状结构联接。中间层则由ARM处理器和两个无线模块（ZigBee和GPRS）构成数据集中器，上行通过GPRS模块实现电能数据的远程传输，下行即通过ZigBee无线模块收集电能表的电能数据。集中器主要负责连通系统的顶层数据库和底层的采集节点。基于此，上层将作为电力系统的数据库层，其中存储了大量的电能数据。访问则需通过网络并于授权后方可进行，访问权限具体可分为只读权限、数据保存权限、可读可保存权限等。抄表系统总体结构如图1所示。 

　　图1 抄表系统总体结构图 

　　Fig.1 Total structure figure of the meter reading system2系统硬件电路设计 

　　2.1数据采集节点的设计 

　　因采集器是用户设备，即需选择较高性价比的通用器件，设计中本文采用了能实现嵌入式ZigBee应用的单系统芯片CC2430作为无线收发和数据处理的主控模块。其内部整合一颗高性能射频收发器和一颗增强型控制器，可满足2.4GHz的ISM波段的应用。片上系统方案使得CC2430内部结构紧凑而高效，其单硅片整合却可做到RF、数字模式处理、模拟电路和系统存储器的集成。CC2430芯片内部包含有：DMA控制器1个；静态RAM为8k；4个振荡器其功能为系统时钟和定时操作；AES协处理器；18个中断源并且具有4级优先；定时器1个[5]。经过调研分析，系统采用了48个引脚的CC2430，其芯片封装为7mm×7mm QLP，采选依据则基于其具有着无线接收灵敏度高、抗干扰能力强、以及电池检测和温度检测等丰富功能。组装调配后，就采集器的设计实现而言，就是CC2430通过MAX485芯片与带有RS232总线的电表来提供连接，当采集器收到指令后，将启动电表数据采集，采集后再通过ZigBee无线网络将数据发送出去。

　　2.2集中器节点的设计第2期王宁宁：基于ZigBee的远程无线抄表系统研究与设计智能计算机与应用第5卷 

　　集中器是系统设计的核心，主要任务就是建立新的网络，发送网络的信息指示、管理网络中存在的节点，并进一步翻译信息以及实现存储。集中器模块可分为三个部分，具体解析如下： 

　　（1）ARM主控器。采用S3C2440作为主控芯片，该芯片具备16KB指令Cache和16KB数据Cache/MMU微处理器，SDRAM 控制和片选逻辑，1通道LCD专用DMA，4通道DMA并有外部请求引脚等[6-7]； 

　　（2）ZigBee无线模块。采用的是CC2430芯片，通过无线网络负责底层电能数据的采集，且能结合GPRS模块方便快捷地与电业管理系统的服务器进行交互，也能解析控制命令，进而执行一些相关控制； 

　　（3）GPRS模块。采用SIM300模块，向上传输电能数据，向下传达系统上层指令数据。 

　　另外，为了利于信息的维护和查看，集中器还接入了TFT触摸屏，以实现用户与无线网络的界面交互，方便对系统的操作与处理。集中器节点结构如图2所示。 

　　图2 集中器硬件模块构成 

　　Fig.2 Hardware modules of the concentrator 

　　3软件设计流程 

　　本软件系统主要是结合ZigBee技术与GPRS技术来实现远程无线抄表的设计目的，系统的重点功能就是集中器能自行建立网络、采集器可自动抄表、远程终端命令得以控制和远程自动抄表等。鉴于以上功能需求，系统的软件设计主要分为集中器软件设计和采集器软件设计。具体阐述如下。 

　　3.1集中器节点软件设计 

　　集中器是整个系统的桥梁，可通过GPRS网络下发指令对ZigBee网络中的采集器进行操控。系统采用多进程设计，但是进程大多数时间处于睡眠状态。此时需唤醒进程转入到工作模式，刷新采集器所在的无线网络。采集器收到采集数据命令后，应答网络，其后启动采集任务，即通过RS485总线采集多块电能表数据。守护进程启动以后创建一个链表插入定时抄表时间节点，抄表进程定时节点和数据通信定时节点。设置系统基本定时时长，并且启动抄表进程和数据通信进程。在抄表进程中，监控时间链表和GPRS抄表指令。如果是控制命令，调用控制任务下发指令到采集器节点，如果是数据长传指令，调用数据通信任务经GPRS模块将集中器收集的电能数据上传至顶层服务器。定时时间耗尽判断是否到抄表时间或者收到抄表命令时调用抄表任务来完成数据采集。集中器节点流程如图3所示。