宋兵兵
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(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)兩種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為硬件方面的設(shè)計(jì)和軟件方面的設(shè)計(jì)，硬件方面的設(shè)計(jì)需要完成三個(gè)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埽卉浖O(shè)計(jì)主要包括 ZigBee模塊的硬件接口編寫(xiě)、上位機(jī)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管理軟件的編寫(xiě)等。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；GPRS；數(shù)據(jù)庫(kù)
0.引言
為了有效率且較準(zhǔn)確的采集居民電力的使用情況，需要對(duì)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專(zhuān)業(yè)人員以及物力成本去布置專(zhuān)門(mén)的線(xiàn)路，具有抄表準(zhǔn)確高、高工作效率等優(yōu)點(diǎn) [1] 。在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的理論研究上，國(guó)外的研究時(shí)間比國(guó)內(nèi)早，技術(shù)也更成熟，美國(guó)、等歐洲國(guó)家都已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)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(shí)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(jì)
遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)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(jì)框圖
電表也叫電度表，采用 RS485 通信，為了實(shí)現(xiàn)電度表與采集器 D 相互通信 [3] ，需要在兩個(gè)模塊之間添加一個(gè)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(duì)其供電，芯片具有與 RF 收發(fā)器功能，可實(shí)現(xiàn)短距離內(nèi)數(shù)據(jù)更可靠安全地?zé)o線(xiàn)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(xiàn)”、按量計(jì)費(fèi)、高速傳輸?shù)忍匦浴?/span>
1.1局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)收發(fā)天線(xiàn)設(shè)計(jì)
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(wú)線(xiàn)通信。CC2530 芯片內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)發(fā)送時(shí)TX/RX 的開(kāi)關(guān)，25、26PIN 引腳為 RF 接收發(fā)器輸入輸出引腳。芯片到天線(xiàn)之間需要一個(gè)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(hào)（差模信號(hào)輸出）轉(zhuǎn)為天線(xiàn)的單端輸出，單極子的天線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)較不穩(wěn)定，需要一個(gè)阻抗為 50 歐姆的巴倫匹配電路來(lái)使數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定。
CC2530 芯片可以通過(guò) RF_N 和 RF_P 端口與天線(xiàn)進(jìn)行相連接。天線(xiàn)部分可以使用 PCB 類(lèi)型天線(xiàn)，本系統(tǒng)采用的是具有 SMA 接口的桿狀天線(xiàn)。天線(xiàn)及巴倫匹配電路設(shè)計(jì)如圖 2
所示。
圖 2 天線(xiàn)及巴倫匹配電路設(shè)計(jì)
1.2采集器模塊總體電路設(shè)計(jì)
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(wú)線(xiàn)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(jì)
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(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，通過(guò)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(jī)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(jì)
GPRS模塊采用Goouuu-GA6芯片，其主要由電源、天線(xiàn)接口、SIM卡連接電路組成，天線(xiàn)采用彈簧天線(xiàn)，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(jì)
遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的軟件程序編寫(xiě)主要包括各模塊的初始化、建立、連接網(wǎng)絡(luò)、RF天線(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)、GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)、上位機(jī)接收數(shù)據(jù)等部分，系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6
所示。
2.1數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)
采集器/協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)主要采用IAR開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用Z-stack協(xié)議，其包括MAC層、MWK層、HAL驅(qū)動(dòng)層、APP應(yīng)用層等。
采集器程序主要包括設(shè)備節(jié)點(diǎn)的初始化、協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)連接、RF接收器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)龋粎f(xié)調(diào)器程序主要包括設(shè)備節(jié)點(diǎn)的初始化、建立局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、啟動(dòng)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(wú)線(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)要保證兩個(gè)設(shè)備有著相同的通信頻率、通道號(hào)、網(wǎng)絡(luò)ID、才可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的無(wú)線(xiàn)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(guò)編寫(xiě)AT命令的相關(guān)程序來(lái)控制GPRS模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸。
上位機(jī)管理軟件程序設(shè)計(jì)是采用.Net平臺(tái)的Winform開(kāi)發(fā)，以及ADO.Net平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的訪(fǎng)問(wèn)、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢(xún)等與數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)采用的是C/S模式，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端對(duì)客戶(hù)端的連接監(jiān)測(cè)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(kù)、執(zhí)行命令和檢索數(shù)據(jù)結(jié)果的一組類(lèi)庫(kù)，可以通過(guò)程序的方式訪(fǎng)問(wèn)主機(jī)中的數(shù)據(jù)庫(kù)。
2.2數(shù)據(jù)管理程序設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)管理程序即上位機(jī)管理軟件程序主要包括用戶(hù)登錄界面程序設(shè)計(jì)、服務(wù)器端的IP端口連接監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)以及SQL語(yǔ)句數(shù)據(jù)庫(kù)的建立程序設(shè)計(jì)。
用戶(hù)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(kù)中的信息進(jìn)行比較，若相同則可以進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)系統(tǒng)，否則無(wú)法進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)。
服務(wù)器端的IP端口連接監(jiān)測(cè)程序主要包括讀取本機(jī)IP和端口號(hào)、設(shè)定監(jiān)聽(tīng)隊(duì)列、等待客戶(hù)端的連接并讀取客戶(hù)端所發(fā)的數(shù)據(jù)并存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
SQL語(yǔ)句數(shù)據(jù)庫(kù)的建立程序設(shè)計(jì)包括用戶(hù)登錄信息數(shù)據(jù)庫(kù)的建立程序設(shè)計(jì)以及對(duì)客戶(hù)端向服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)的建立程序設(shè)計(jì)。
3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
采集器端采集的數(shù)據(jù)通過(guò)RF天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)GPRS自帶的Internet技術(shù)將字符串遠(yuǎn)程的傳輸?shù)缴衔粰C(jī)服務(wù)器端，系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)部分如圖7。
圖7 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)部分
用戶(hù)登錄界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)如圖8，數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)查詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)如圖9。
圖 8 用戶(hù)登錄界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
圖 9 數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)查詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
4.安科瑞遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)抄表系統(tǒng)的介紹及其應(yīng)用
4.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介
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(hù)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(guò)通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢(xún)、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(xiàn)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(guò)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(duì)充值次數(shù)防止，方便快捷。
能耗分析:用戶(hù)和管理員都可查詢(xún)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(hù)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(xiàn)支付:商戶(hù)可以通過(guò)小程序或者微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)自助充值水電費(fèi)，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用況。
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(hù)。
遠(yuǎn)程控制:可對(duì)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(yǔ)
基于物聯(lián)網(wǎng)的概念，采用ZigBee、通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)兩種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。充分發(fā)揮通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的作用，降低了現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)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(huì)使得設(shè)備節(jié)點(diǎn)更加地不費(fèi)電，同時(shí)功耗很低，這樣就增加了使用的時(shí)間；采用的GPRS技術(shù)，選擇的是TCP/IP通信模式，用戶(hù)可以不必詳細(xì)了解其數(shù)據(jù)交換的全過(guò)程；上位機(jī)控制中心，采用.Net與ADO.Net相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)直接對(duì)遠(yuǎn)程接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)和存儲(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介：宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)榻^緣監(jiān)測(cè)及剩余電流監(jiān)測(cè)， QQ：3007723194 手機(jī)：13482141563（微信同號(hào)）