淺談遠程預付費無線抄表系統的設計與應用

更新時間：2023-05-19

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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存在的效率低、成本高、使用不方便等問題，本文設計了一種將藍牙技術和ZigBee技術相結合的手持式遠程無線抄表終端系統。本文主要介紹了系統設計的總體架構、工作原理以及實現系統功能的關鍵技術。手持式遠程無線抄表系統對于克服傳統的人工抄表模式的弊端，實現水、電、煤氣管理的自動化具有重要意義。

關鍵詞: ZigBee；無線抄表系統；手持式

0引言

隨著科技的發展，在水、電以及煤氣等公共管理事業部門中，人工抄表系統得到了廣泛的應用。但是，傳統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確數據。這樣的抄表方式不但抄表工人效率低下，而且對水電煤企業來說人工成本也很高。因此，改進抄表方法，研發一套高效率、高可靠性、低成本的遠程無線抄表系統對于克服傳統的人工抄表模式的弊端，實現水、電、煤氣管理的自動化具有重要意義。近年來，隨著自動控制技術和計算機通信技術的進步，以紅外、藍牙、GPRS和ZigBee等技術為代表的無線抄表方式相繼出現。基于 GPRS 技術抄表方案，其設計成本較高，不易推廣；掌上機抄表方案，其只能實現半自動化，且不能實現遠程通信；藍牙技術方案，其功耗大、距離近，比較復雜，組網規模太小。鑒于以上各種抄表方式的存在的問題和無線抄表系統的發展趨勢，本文設計提出了一種ZigBee 技術和藍牙技術相結合的遠程無線抄表終端系統，其特點是低功耗、低成本和近距離，并且通信可靠。

1 系統總體結構

本文設計的遠程無線抄表終端系統由五大部分構成：手持終端模塊、上位機模塊、中繼器模塊、數據采集器模塊，如圖1所示。通過Stc15f2k單片機作為表數據的讀取中心，通過程序將表上的數據讀取出來，并且通過串口將單片機與ZigBee模塊1相連接使得ZigBee 模塊1和單片機能夠進行通訊，數據透傳，同時將 ZigBee模塊1和ZigBee模塊2進行自動組網，設置ZigBee模塊1成為發送端，ZigBee模塊2成為接收端，使得兩端的數據可以互通，再將ZigBee模塊2與藍牙模塊通過串口連接，使得數據可以透傳，通過手機端的藍牙調試助手和藍牙模塊相連，讓手機上可以顯示出相應的讀數。實現手持式遠程無線抄表系統得以實現。

圖 1 系統總體架構圖

2硬件設計

硬件的連接分為電位器到單片機系統，單片機到ZigBee模塊1，ZigBee模塊2到藍牙模塊這三個部分。

2.1 單片機

本系統的采集芯片選用STC15F2K60S2芯片，該芯片價格便宜，溫度適應性好，且單片機本身帶有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，編寫相關程序即可實現相應功能。單片機的ad采樣是無線遠程抄表系統的數據采集過程。ad采集的數據將從串口發送給 ZigBee模塊1，從而進入數據傳遞系統。

2.2 ZigBee模塊及藍牙

ZigBee技術是廣泛被應用于自動控制領域的一種基于短距離、低速率、低復雜度，低功耗以及低成本的雙向的無線通信技術。此技術工作在2.4GHz ISM頻段，可以達到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，分別提高相應的發射功率和接收靈敏度傳輸距離可高達幾百甚至上千米。藍牙技術是一種用來實現數據和話音之間的無線傳輸開放性的規范，藍牙這種無線通信技術支持點到點、點到多點的短距離通信，而且成本低廉。藍牙技術其數據通信優勢相比其它協議較為明顯，但由于其傳輸距離比較近的不足，因此單純的藍牙技術在遠程控制方面應用不多。ZigBee網絡理論上可以容納65000多個節點，而藍牙不超過8個，由于一般的無線傳感網絡需要節點較多，所以這一點ZigBee也相對具有較大優勢。雖然藍牙技術在數據傳輸速率上比ZigBee技術大得多，但ZigBee 250kbps的數據傳輸速率對于無線抄表系統來說已經足夠，反觀藍牙功耗大，造價高成為制約其應用于無線抄表的主要障礙。

3 系統軟件設計

主程序由單片機ad讀取程序、ZigBee模塊1的數據發送程序、ZigBee模塊2的數據接收程序、手機端的數據接收程序組成。由于藍牙模塊為透傳功能模塊，所以不需要編程，手機端程序在各大應用市場可以下載，所以對這兩個不做深入研究。主要研究單片機ad讀取程序、 ZigBee模塊1的數據發送程序、ZigBee模塊2的數據接收程序這三個程序。由于表單元處理并不在此次設計的計劃范圍之內，所以設計可整體描述為：電位器模擬智能表單元，單片機定時去讀取電位器上的ad值并將數據轉化成 0-9999之間的整數，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，將數據通過ZigBee網絡傳給ZigBee模塊2，ZigBee模塊2與藍牙模塊通過串口相連，同時藍牙模塊與手機藍牙相連，數據到達手機上，通過藍牙調試精靈顯示。

4 安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺

4.1 系統方案

系統為B/S架構，主要包括前端管理網站和后臺集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關閥。

4.2 系統功能

AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網關-預付費電能表組成，通過通信網絡完成系統到表的充值、查詢、監控、控制及短信報警等功能。
本系統適用于一些大集團和大物業，往往需要將多個物業環境、分散于各地的物業集中式收費和管理，面臨著數據公網傳輸，財務操作分散，在線支付，總部財務扎口等復雜的需求。