基于ZigBee 技术的无线远程智能水表系统

　　0 概述 

　　随着科技水平的不断提高，人们对生活环境提出了更高的要求。家居智能化也得到了新的发展，然而这个过程中也有不尽如人意的地方，比如自来水抄写的信息化没有得到普及，甚至还处于人工进行抄表的阶段[1]。
　　人工抄表存在很多问题，比如抄表工作量大，人力和资源浪费，效率低下，而且存在安全因素。随着供水部门对“一户一表”工程改造的推进，以及对自动化的要求，远程自动抄表系统已成为自来水自动化管理和智能化控制不可缺少的组成部分。采用集中抄表系统的优势：
　　⑴ 杜绝人工抄表产生的误抄、漏抄、估抄等人为错误；
　　⑵ 提高工作效率，减轻劳动强度，减员增效，从数据采集到收费单的打印都自动完成；
　　⑶ 避免了人工抄表时间跨度大，无法抄录同一时间的数据，方便计算损耗；
　　⑷ 可以随时掌握各户水表的运行情况，便于用水量的统计、计算和运行分析。 

　　1 ZigBee 技术简介 

　　在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈。而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，ZigBee 协议在2003 年正式问世。ZigBee 技术是近年来迅速发展起来的一种短距离、架构简单、低消耗功率和低传输速率的无线通讯技术，主要适用于自动控制、传输、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能[2]。
　　ZigBee 是IEEE 802.15.4 协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。IEEE802.15.4 规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbps）、工作在2.4 GHz 和868/928 MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。它是ZigBee 应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。
　　ZigBee 根据其节点的不同，可分为全功能设备（Full-Function Device,FFD）与半功能设备（Reduced-Function Device,RFD），相对于FFD，RFD 的电路较为简单，且存储体容量较
小。FFD 的节点具有控制器（Controller）的功能，能够提供数据交换，而RFD 则只能传送数据给FFD 或从FFD 接收数据。
　　ZigBee 与IEEE 802.11b 及蓝牙技术的比较[3]如表1 所示。

　　ZigBee 技术的主要技术优势包括以下几个部分[4]： 

　　① 低功耗：在低耗电待机模式下，2 节5 号干电池可支持1 个节点工作6～24 个月，甚至更长，这是ZigBee 的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、Wi-Fi 可工作数小时。
　　② 低成本：通过大幅简化协议（不到蓝牙协议的1/10），降低了对通信控制器的要求，以8051 的8 位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB 代码，子功能节点少至4KB 代码，而且ZigBee 免协议专利费。
　　③ 低速率：ZigBee 工作在20～250 kbps 的较低速率，分别提供250 kbps（2.4 GHz）、40 kbps（915 MHz）和20 kbps（868 MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
　　④ 近距离：传输范围一般介于10～100 m 之间，在增加RF 发射功率后，亦可增加到1～3 km。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
　　⑤ 短时延：ZigBee 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10 s，Wi-Fi 需要3 s。
　　⑥ 高容量：ZigBee 可采用星状、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的网络。
　　⑦ 高安全：ZigBee 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES 128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。
　　⑧ 免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM）频段，2.4GHz（全球）、915 MHz（美国）和868 MHz（欧洲）。 

　　2 无线远程智能水表系统的总体设计 

　　2.1 基于ZigBee 的智能水表设计 

　　本系统采用智能表有如下几个部分组成：无源直读水表、MCU、ZigBee 模块和电源模块组成。如图1 所示。

　　无源直读水表不再采用传统的累计脉冲换算方式来采集表数，而通过传感器直接读取水表字轮的机械位置的方式来获得水表的实时示数，模拟真人直接读表。在任一时刻读表都能获得水表的实时示数，保证了数据的实时准确，避免了脉冲累计换算带来的误差。Chipcon 公司的CC2430 芯片集成了MCU 和ZigBee 模块，CC2430 在单个芯片上整合了ZigBee 射频（RF）前端、内存和微控制器。本芯片采用了1 个8 位MCU（8051），具有128K 可编程内存和8K 的RAM，还包含模拟数字转换器、定时器、ES-128 协同处理器、看门狗定时器、32 KHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路, 以及21 个可编程引脚。 

　　2.2 系统组成 

　　无线远程智能水表系统的结构如图2 所示，无线远程智能水表系统包括如下部分：智能水表、GPRS 模块、运营商移动网络和控制中心。居民楼的用户安装上智能水表，保证相邻的智能水表能够正常无线通信。再每隔几个楼层每安置GPRS 模块，GPRS 模块与其相同楼层的智能水表相连。由于ZigBee 协议组网的自组织等灵活性可以使带有ZigBee 无线模块的智能水表构成可靠网络，从而可以不用进入居民房间即可抄写到水表指数获得该用户的用水量及水费使用情况。控制中心放置在远端通过运营商的移动网络与居民楼的GPRS 模块和ZigBee 智能水表相通信，控制中心主要功能是对抄上来的数据进行存储和分析等。该系统中的GPRS 模块也可以替换成3G 网络数据模块便于大数据量的传输。

　　2.3 系统原理 

　　无源直读水表的数据经过ZigBee FFD 模块转化为ZigBee 通信协议包，传输至临近楼层的FFD 模块，通过逐层多跳通信的方式将数据传送给ZigBee 协调器（ZigBee 协调器可每隔数层安置）。ZigBee 协调器收到数据包后，一方面按原来路径返回收到的确认信息（ACK），从而使到达发送数据的FFD 模块，实现握手通信，完成一次完整的无线通信。否则FFD 模块将继续发送数据，直到收到协调器返回的握手信息。另一方面ZigBee 协调器将连的居民楼侧GPRS 模块，经过移动运营商的GSM/GPRS 网络传送至控制中心。控制中心GPRS 模块将上述数据接收并向控制中心服务器发送，控制中心服务器将根据收到数据的用户ID 存储至各个用户的信息栏内，以备监控人员查询，实现数据的集中管理。 

　　3 结束语 

　　本文介绍了基于ZigBee 技术的无线远程智能水表系统, 该系统采用的技术具有协议简单，无需布线，快速组网，传输可靠，数据安全性高，实时性强等特点，非常适合于无线智能水表系统。本系统亦可应用于远程电表气表的抄写。随着技术的逐步成熟ZigBee 及计算机通信网络技术的发展，基于ZigBee 的无线智能水表系统将更加成熟和实用。