摘  要： 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ZigBee和Internet的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。感知層利用智能傳感器技術(shù),，實(shí)現(xiàn)對電壓,、電流、頻率,、功率,、電能等用電信息的采集。傳輸層采用ZigBee短距離通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)信息的匯聚,，并利用嵌入式以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到Internet數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,，通過廣域網(wǎng)路由器接入Internet。應(yīng)用層通過信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表與信息管理,。測試表明,，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。

　　關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng),；遠(yuǎn)程抄表,；ZigBee；Internet,；嵌入式以太網(wǎng)

0 引言

　　盡管物聯(lián)網(wǎng)還是一個(gè)發(fā)展的概念,，然而把實(shí)物納入網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)該是信息化發(fā)展的一個(gè)大趨勢[1],。傳統(tǒng)的抄表方式已不能滿足物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求,，因此遠(yuǎn)程無線抄表是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要應(yīng)用方向。國內(nèi)當(dāng)前實(shí)現(xiàn)無線抄表系統(tǒng)的技術(shù)主要有GPRS,、GSM,、電力載波、RS485,、藍(lán)牙等[2],，但是均存在成本高、抗干擾能力差,、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小、功耗大等缺點(diǎn)[3],。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的無線通信技術(shù),，具有功耗低、組網(wǎng)方便,、網(wǎng)絡(luò)可靠性高,、網(wǎng)絡(luò)容量大,、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在智能家居和通信速率要求不高的工業(yè)控制領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢[4],。

　　結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入千家萬戶的契機(jī),，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee和Internet的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上任何人任何地點(diǎn)任何時(shí)間抄表,。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)框圖如圖1所示,。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集、處理和轉(zhuǎn)發(fā)用戶用電信息,，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)收集,、整理各節(jié)點(diǎn)信息，遠(yuǎn)程智能控制各節(jié)點(diǎn)的繼電器以實(shí)現(xiàn)對用戶用電入口的控制,。ZigBee路由器協(xié)助協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)之間的通信,，以滿足遠(yuǎn)距離傳輸要求。智能網(wǎng)關(guān)部分實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與Internet數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,。嵌入式網(wǎng)頁域名解析服務(wù)開通后,，只要嵌入式設(shè)備連接在網(wǎng)絡(luò)中，擁有權(quán)限的管理員便可以通過信息管理系統(tǒng),，通過域名訪問和管理內(nèi)嵌網(wǎng)頁,，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表與遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò),、智能網(wǎng)關(guān),、信息管理三部分組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點(diǎn),、路由器,、協(xié)調(diào)器三部分組成，主要實(shí)現(xiàn)對家庭用電信息的采集,、整理和匯聚,，以及與智能網(wǎng)關(guān)的通信。智能網(wǎng)關(guān)由嵌入式以太網(wǎng)模塊加廣域網(wǎng)路由器組成,，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收,，ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與Internet數(shù)據(jù)的交換，以及解析網(wǎng)頁遠(yuǎn)程控制指令,。信息管理部分由內(nèi)嵌網(wǎng)頁的設(shè)計(jì),、域名服務(wù)的申請以及信息管理系統(tǒng)三部分組成，主要實(shí)現(xiàn)用戶對家庭用電信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及管理員對用戶數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理,。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

　　2.1.1 終端節(jié)點(diǎn)

　　終端節(jié)點(diǎn)主要由CC2530最小模塊,、電源模塊、電量計(jì)量芯片RN8209G和數(shù)字溫度計(jì)DS18B20組成，如圖2所示,。

　　CC2530最小模塊包含RF天線模塊和系統(tǒng)所需晶振等最少硬件,，21個(gè)引腳全部引出，故使用時(shí)很方便,，只需設(shè)計(jì)簡單的外圍電路即可,。

　　電源模塊由開關(guān)電源和電池組組成，雙電源的設(shè)計(jì)是源于無線抄表系統(tǒng)的特殊性,，它本身是為了采集市電信息,，因此大部分時(shí)間直接利用開關(guān)電源供電即可，只有出現(xiàn)了異常情況（如電網(wǎng)斷電）,，為了維護(hù)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)數(shù)據(jù),，才啟用備用電源供電，這樣可以減少電池的使用,，從而節(jié)省成本,。

　　RN8209G是國產(chǎn)的一款單相防竊電專用電量計(jì)量IC，可靠性高,、精度高,、開發(fā)難度小且成本低廉，適于推廣,。它含一個(gè)電壓通道,、一個(gè)零線電流通道和一個(gè)火線電流通道。經(jīng)過專業(yè)設(shè)備的校表后,，通過電壓傳感器和電流互感器,，就可以準(zhǔn)確測量電壓、電流,、頻率,、功率、電能等信息,。轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)寄存器中[5],，MCU CC2530模塊通過串口SPI或者UART與其通信，讀取相應(yīng)寄存器的值即可,。

　　DS18B20主要實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)溫度的監(jiān)測,，協(xié)助協(xié)調(diào)器對節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀況的判斷。當(dāng)節(jié)點(diǎn)電流過大或者節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境溫度過高時(shí),，協(xié)調(diào)器會(huì)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)切斷相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的用電,，打開報(bào)警器，達(dá)到自動(dòng)保護(hù)電網(wǎng)的作用,。

　　2.1.2 路由器

　　路由器基于CC2530設(shè)計(jì),，并通過CC2591射頻放大集成電路對射頻信號進(jìn)行放大,，增加了信號有效傳輸距離，提高了信號強(qiáng)度,，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院途W(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性[6]。對于光纖未覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū),，可以加多級路由器,，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。CC2530和CC2591通過3根控制線和3根數(shù)據(jù)線相連,。

　　2.1.3 協(xié)調(diào)器

　　協(xié)調(diào)器主要由CC2530最小模塊,、電源、時(shí)間芯片DS1302,、溫度計(jì)DS18B20,、12864顯示屏和按鍵組成，如圖3所示,。

　　CC2530最小模塊,、電源、溫度計(jì)DS18B20功能與節(jié)點(diǎn)中的相同,，故不再重復(fù),。時(shí)間芯片DS1302顯示系統(tǒng)工作時(shí)間，協(xié)助協(xié)調(diào)器對節(jié)點(diǎn)的控制與管理,。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立,、節(jié)點(diǎn)信息的收集與處理，轉(zhuǎn)發(fā)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù),。

　　2.2 智能網(wǎng)關(guān)

　　智能網(wǎng)關(guān)由嵌入式以太網(wǎng)模塊ZLSB2030和廣域網(wǎng)路由器組成,，如圖4所示。

　　嵌入式以太網(wǎng)模塊ZLSB2030功能豐富,，支持包括100個(gè)TCP連接,、DNS、DHCP,、串口類AT控制命令等,；ZLSB2030開發(fā)十分簡單，用戶只需當(dāng)作串口收發(fā)即可,。ZLSB2030內(nèi)部集成ZLAN_DDNS協(xié)議,，當(dāng)用戶需要訪問某個(gè)模塊時(shí)，首先需要獲得模塊當(dāng)前的外網(wǎng)IP地址,，此時(shí),，用戶只要將這個(gè)模塊的唯一編號作為前綴來訪問域名即可直接訪問此模塊[7]。

　　ZLSB2030通過串口與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相連,，通過交叉網(wǎng)線與廣域網(wǎng)路由器相連,，廣域網(wǎng)路由器與外網(wǎng)相連，便可以實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與Internet數(shù)據(jù)的交換。

　　2.3 信息管理

　　信息管理部分由內(nèi)嵌網(wǎng)頁的設(shè)計(jì),、域名服務(wù)的申請以及信息管理系統(tǒng)三部分組成,。

　　2.3.1 內(nèi)嵌網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)

　　嵌入式網(wǎng)頁由兩級界面構(gòu)成，分為登錄界面和系統(tǒng)顯示界面,，如圖5所示,，用HTML語言和Java Script腳本語言開發(fā)。設(shè)置系統(tǒng)賬戶名和登錄密碼以確保數(shù)據(jù)的安全性,。

　　ZLSN2030動(dòng)態(tài)顯示網(wǎng)頁有txt_control和串口讀寫網(wǎng)頁兩種方案可選,，兩種方案比較如表1所示[8]。

　　若節(jié)點(diǎn)數(shù)超過32,，選擇串口讀寫網(wǎng)頁方案較為實(shí)用,，不過需要盡量減少數(shù)據(jù)修改次數(shù)，以延長該模塊的生命周期,；若節(jié)點(diǎn)數(shù)低于32,，優(yōu)先選擇txt_control方案。

　　通信時(shí),，ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送固定格式的指令加采集的數(shù)據(jù),，便可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌網(wǎng)頁的修改以及遠(yuǎn)程控制。例如指令（十六進(jìn)制）格式為：ed f2 a3 56 ca db 91 84 b0 d7 0c 10 74 78 74 5f 63 74 72 00,。其中ed f2 a3 56 ca db 91 84 b0 d7 是標(biāo)志字符,，0c是txt_control 的命令代碼，10是十六進(jìn)制表示,，74 78 74 5f 63 74 72 00是指要替換的字符串,，此指令表示要設(shè)置<TX16>的替換字符串。此時(shí)打開含有TX16控件的網(wǎng)頁,，刷新一下即可看到內(nèi)嵌網(wǎng)頁對應(yīng)控件處出現(xiàn)了修改后的信息,。

　　2.3.2 DDNS服務(wù)申請

　　利用ADSL上網(wǎng)的用戶，IP一般是基于DHCP協(xié)議分派的,，因此用戶不同時(shí)間段獲得的IP是不同的[8],。為了使遠(yuǎn)程抄表不需知道用戶的外網(wǎng)IP也能訪問內(nèi)嵌網(wǎng)頁，需申請DDNS,。目前國內(nèi)較為著名的DDNS服務(wù)提供商有花生殼,、ZoneEdit等，它們均有相應(yīng)免費(fèi)DDNS服務(wù),，對于遠(yuǎn)程抄表這樣一個(gè)數(shù)據(jù)流量不是很大的系統(tǒng)來說,，利用它們的免費(fèi)服務(wù)就足夠了。用戶只需把嵌入式設(shè)備連在廣域網(wǎng)路由器即可,。DDNS服務(wù)開通后,，用戶可以通過訪問內(nèi)嵌網(wǎng)頁來了解家庭用電情況,。

　　2.3.3 信息管理系統(tǒng)

　　信息管理系統(tǒng)結(jié)合Java和SQL開發(fā)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,，操作簡單,，功能豐富。信息管理系統(tǒng)框圖如圖6所示,。

　　把所有用戶的內(nèi)嵌網(wǎng)頁數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,，本質(zhì)是對用戶內(nèi)嵌服務(wù)器數(shù)據(jù)的收集與整理，形成一個(gè)用戶用電信息數(shù)據(jù)庫,，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表與信息管理。通過對各用戶用電數(shù)據(jù)的跟蹤,、處理與分析,，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，可以有效防止用戶偷電漏電等異常用電情況和違規(guī)用電行為,。

3 結(jié)論

　　本文緊緊圍繞物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢,，緊密結(jié)合智能家居和智能用電的新概念，提出基于ZigBee和Internet技術(shù)的遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng),，該系統(tǒng)具有開發(fā)周期短,、成本低廉、組網(wǎng)方便,、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定,、數(shù)據(jù)誤碼率低等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景,。經(jīng)過實(shí)際的測試,，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)基本達(dá)到預(yù)期效果。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,，若添加遠(yuǎn)程刷卡,、網(wǎng)絡(luò)繳費(fèi)等功能，會(huì)帶來更大的便捷,，這也是今后的研究方向,。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 陳天超.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基本構(gòu)架綜述[J].林區(qū)教學(xué)，2013（3）：64-65.

　　[2] 潘家根.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制與節(jié)能的研究[D].成都：電子科技大學(xué),，2007.

　　[3] 馮軍,，寧志剛，陽璞瓊.基于ZigBee的無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,，2010（8）：108-111.

　　[4] 高守瑋,，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

　　[5] 深圳銳能微科技有限公司.RN8209G用戶手冊（Rev 2.0）[Z].2012-06-13.

　　[6] 唐慧敏,，李超,，虞敏.無限網(wǎng)絡(luò)化抄表與節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測控在線,，2012，32（1）：45-47.

　　[7] 上海市卓嵐信息科技有限公司.基于嵌入式Web網(wǎng)頁控制的遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)控模塊[EB/OL].[2011-03-29].http：//www.zlmcu.com/document/embedded_web_controller.html.

　　[8] 謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第五版）[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2008.