摘要：針對當前傳統抄表效率低、成本高、勞動強度大等問題，提出了一種無線遠程抄表方案。結合ZigBee無線短距離通信技術和GPRS技術設計了一套抄表系統，該系統廣域網采用GPRS技術通信，局域網采用ZigBee無線短距離通信，該系統具有能耗低、穩定性強、成本低、通信安全可靠等特點。經現場試驗測試，該系統能夠完成數據采集、傳輸，抄表成功率高，同時該系統在醫療、環境監測等領域應用前景廣闊。

0 引言

隨著我國電力企業改革的不斷深入，電力企業無論是在管理方面還是在技術操作方面越來越現代化、智能化，而抄表作為電力行業的基礎業務，抄表工作的好壞、抄表速度的快慢直接影響著電力工作的優劣。現如今傳統的抄表方式由于效率低、成本高、勞動強度大等問題，已無法滿足現代社會的需求。為此提出了一套先進的遠程無線抄表系統，

此系統主要是將ZigBee技術和GPRS網絡結合在一起，來實現遠程終端對用戶電表的控制。

1 系統總體設計

系統總體設計如圖1所示。基于ZigBee和GPRS的遠程抄表系統主要有三部分組成。

1.1 數據采集傳輸端

數據采集傳輸端主要由采集器和集中器組成，數據傳輸端是通過ZigBee無線網絡技術通信。ZigBee技術是一種新興的短距離、低復雜度的無線網絡技術，具有功耗低、成本低、網絡容量大、時延短、網絡的自組織、自愈能力強、通信可靠等特點。數據采集傳輸端主要負責用戶電表數據的采集和采集數據的轉發，使數據順利傳輸到協調器。

1.2 協調器和GPRS網絡

協調器是整個系統的中間節點，負責ZigBee網絡的組建并且將ZigBee網絡采集到的數據通過GPRS網絡傳輸到監測中心。GPRS網絡是遠程無線通信網絡，具有傳輸數據大、實時在線、頻率利用率高、傳輸可靠等特點。

1.3 監測中心

監測中心由監測設備和數據庫服務器組成，監測設備接收協調器發來的數據，同時可以向協調器發送需求。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集傳輸端硬件設計

數據采集傳輸端主要負責電表數據的采集以及發送。采集器負責電表數據采集，集中器起到承上啟下的作用，一方面是負責將采集器采集的數據順利傳送給協調器，另一方面是負責傳達協調器下達的命令。采集器和集中器均采用電源供電。采集器由傳感器模塊、處理器CC2430模塊、電源模塊、電源管理模塊、天線模塊、LED指示燈6部分組成，而集中器的組成包含除去傳感器模塊的所有模塊。主控芯片采用CC2430芯片是因為CC2430在ZigBee技術應用中的優勢，CC2430是chipcon公司研究推出的、用來實現嵌入式的片上系統，CC2430芯片具有高性能、低能耗、抗干擾能力強等特點，CC2430芯片上整合了ZigBee射頻前端、內存和微控制器，具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，CC2430芯片工作時的電流損耗為27mA，休眠模式時僅為0.9 μA的能耗，待機模式時更少。電源模塊用于給處理器供電，LED指示燈用于顯示網絡的狀態。

2.2 協調器節點硬件設計

協調器由ZigBee無線通信模塊、處理器模塊、電源模塊、電源管理模塊、GPRS模塊、LED指示燈、LCD模塊、數據存儲模塊8部分組成，具體結構如圖2所示。

協調器模塊也采用電源供電。ZigBee無線通信模塊主要用于數據通信，其設計和集中器一樣。處理器模塊用于數據處理和遠程操作功能的實現，其主控芯片選用美國德州儀器的MSP430F系列，MSP430F系列是一種具有功耗低、功能強、性能好等技術特點的16位單片機，具有豐富的尋址方式，程序代碼可以方便地寫入和擦出，并且與MSP430F系列相適應的C430語言與標準的C語言兼容性好。處理器模塊和ZigBee模塊采用SPI總線通信，與GPRS模塊采用RS232串口通信。GPRS模塊用于協調器和遠程終端通信，GPRS模塊采用SSIM900無線通信模塊，該模塊是有Simcom公司生產的，具有射頻天線，支持GSM/GPRS通信，并且還有本地SIM卡連接等。LCD模塊是用戶和無線網絡交互的界面，用來顯示菜單功能，數據存儲模塊用于對采集到數據的存儲。

3 系統軟件設計

本系統主要是結合ZigBee技術和GPRS技術來完成設計，系統具備的功能主要是協調器自動建立網絡、采集器定時自動抄表、遠程終端命令控制以及遠程自動抄表等。基于以上功能，系統的軟件設計主要分為兩部分：協調器節點軟件設計和采集器節點軟件設計。

3.1 協調器節點軟件設計

協調器是整個系統的網關，并且還是ZigBee網絡和遠程終端的橋梁，能通過GPRS網絡實現ZigBee網絡和遠程終端的交互。協調器節點的功能主要有兩部分，一是ZigBee網絡的組建，對其組建的網絡中的其他節點進行管理，并且向采集器節點發送采集信息，將采集的數據信息儲存，為了降低能耗，采集器和中繼器一般處于休眠狀態，所以協調器節點在需要采集數據信息時，首先應該向采集器節點發送激活碼，激活采集器節點;二是接受遠程終端命令，通過GPRS網絡和遠程終端建立連接，將采集的數據信息定時發送給遠程終端，并且實時等待接收遠程終端發來的命令，為保證GPRS模塊和遠程終端有效連接，單片機需要通過GPRS模塊向遠程終端發送握手信號，在握手失敗時再次發送建立連接。

3.2 采集器節點軟件設計

采集器的功能主要有兩部分，一是定時自動抄表，隨時記錄電表中的數據;二是定時監聽系統中協調器是否發來激活碼及網絡信號。采集器作為休眠節點，除了設定的定時抄表時間和接收協調器發來網絡信息及向協調器節點發送數據信息時間，為了降低能耗，一般其他時間采集器都處于休眠狀態。采集器節點的軟件流程圖如圖4所示。

4 系統測試

系統測試主要分為兩部分：節點與節點之間通信的測試和遠程抄表成功率的測試。1)節點測試，本系統選取曲阜師范大學教師公寓30臺電表進行測試，部署1個協調器節點、3個集中器節點、30個采集器節點，節點的無線信號發射功率設置為17dBm，節點在空曠的空間通信距離可達150m，經測試，節點通信在樓宇建筑物中可以穿越樓板，并且通信結果受天氣影響不大，系統的魯棒性較強。2)抄表成功率測試，系統定時每月抄表3次，經測試及對測試結果分析，系統一次抄表的成功率為98.7%，二次、三次抄表成功率為100%。測試結果表明，本系統安全可靠、通信可靠、抗干擾性強、功耗低、成功率高、維護方便，既方便了用戶，同時又提高了電力工作人員的工作效率和服務質量。

5 結論

本文利用當前比較先進的ZigBee無線短距離通信技術和GPRS技術相結合設計出了一種實用的無線遠程抄表系統，本系統具有能耗低、穩定性強、通信安全可靠、魯棒性強、搭建靈活、運營成本低等特點，可以說是與當前電力系統實際相結合的產物。實際應用中，系統無線抄表成功率高，系統維護簡單，完全可以取代人工抄表。同時本系統可移植

性較強，不僅在抄表方面應用前景廣闊，在醫療、環境監測等領域也具有很強的市場應用價值。