摘 要： 設計并實現了一種基于ZigBee和Internet的遠程抄表系統。感知層利用智能傳感器技術，實現對電壓、電流、頻率、功率、電能等用電信息的采集。傳輸層采用ZigBee短距離通信技術實現對節點信息的匯聚，并利用嵌入式以太網模塊實現ZigBee網絡數據到Internet數據的轉換，通過廣域網路由器接入Internet。應用層通過信息管理系統實現遠程抄表與信息管理。測試表明，該系統達到了預期的效果。
關鍵詞： 物聯網；遠程抄表；ZigBee；Internet；嵌入式以太網
0 引言
盡管物聯網還是一個發展的概念，然而把實物納入網絡中，應該是信息化發展的一個大趨勢[1]。傳統的抄表方式已不能滿足物聯網的發展需求，因此遠程無線抄表是物聯網發展的一個重要應用方向。國內當前實現無線抄表系統的技術主要有GPRS、GSM、電力載波、RS485、藍牙等[2]，但是均存在成本高、抗干擾能力差、網絡規模小、功耗大等缺點[3]。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4協議的無線通信技術，具有功耗低、組網方便、網絡可靠性高、網絡容量大、成本低等優點，因此在智能家居和通信速率要求不高的工業控制領域有著不可替代的優勢[4]。
結合物聯網進入千家萬戶的契機，本文設計了基于ZigBee和Internet的遠程抄表系統，實現了真正意義上任何人任何地點任何時間抄表。遠程抄表系統框圖如圖1所示。ZigBee無線網絡節點采集、處理和轉發用戶用電信息，ZigBee協調器負責收集、整理各節點信息，遠程智能控制各節點的繼電器以實現對用戶用電入口的控制。ZigBee路由器協助協調器和節點之間的通信，以滿足遠距離傳輸要求。智能網關部分實現ZigBee網絡數據與Internet數據的轉換。嵌入式網頁域名解析服務開通后，只要嵌入式設備連接在網絡中，擁有權限的管理員便可以通過信息管理系統，通過域名訪問和管理內嵌網頁，從而實現遠程抄表與遠程控制。
1 系統總體結構
本系統由ZigBee網絡、智能網關、信息管理三部分組成。ZigBee網絡由終端節點、路由器、協調器三部分組成，主要實現對家庭用電信息的采集、整理和匯聚，以及與智能網關的通信。智能網關由嵌入式以太網模塊加廣域網路由器組成，負責ZigBee網絡數據的接收，ZigBee網絡數據與Internet數據的交換，以及解析網頁遠程控制指令。信息管理部分由內嵌網頁的設計、域名服務的申請以及信息管理系統三部分組成，主要實現用戶對家庭用電信息的遠程監控以及管理員對用戶數據的遠程管理。
2 系統設計
2.1 ZigBee網絡
2.1.1 終端節點
終端節點主要由CC2530最小模塊、電源模塊、電量計量芯片RN8209G和數字溫度計DS18B20組成，如圖2所示。
CC2530最小模塊包含RF天線模塊和系統所需晶振等最少硬件，21個引腳全部引出，故使用時很方便，只需設計簡單的外圍電路即可。
電源模塊由開關電源和電池組組成，雙電源的設計是源于無線抄表系統的特殊性，它本身是為了采集市電信息，因此大部分時間直接利用開關電源供電即可，只有出現了異常情況（如電網斷電），為了維護網絡保護數據，才啟用備用電源供電，這樣可以減少電池的使用，從而節省成本。
RN8209G是國產的一款單相防竊電專用電量計量IC，可靠性高、精度高、開發難度小且成本低廉，適于推廣。它含一個電壓通道、一個零線電流通道和一個火線電流通道。經過專業設備的校表后，通過電壓傳感器和電流互感器，就可以準確測量電壓、電流、頻率、功率、電能等信息。轉化后的數據存儲在相應寄存器中[5]，MCU CC2530模塊通過串口SPI或者UART與其通信，讀取相應寄存器的值即可。
DS18B20主要實現對節點溫度的監測，協助協調器對節點運行狀況的判斷。當節點電流過大或者節點所處環境溫度過高時，協調器會通過ZigBee網絡切斷相應節點的用電，打開報警器，達到自動保護電網的作用。
2.1.2 路由器
路由器基于CC2530設計，并通過CC2591射頻放大集成電路對射頻信號進行放大，增加了信號有效傳輸距離，提高了信號強度，從而保證數據傳輸的可靠性和網絡的穩定性[6]。對于光纖未覆蓋的偏遠地區，可以加多級路由器，以實現遠距離傳輸。CC2530和CC2591通過3根控制線和3根數據線相連。
2.1.3 協調器
協調器主要由CC2530最小模塊、電源、時間芯片DS1302、溫度計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DS18B20功能與節點中的相同，故不再重復。時間芯片DS1302顯示系統工作時間，協助協調器對節點的控制與管理。協調器負責ZigBee網絡的建立、節點信息的收集與處理，轉發ZigBee網絡的數據。
2.2 智能網關
智能網關由嵌入式以太網模塊ZLSB2030和廣域網路由器組成，如圖4所示。
嵌入式以太網模塊ZLSB2030功能豐富，支持包括100個TCP連接、DNS、DHCP、串口類AT控制命令等；ZLSB2030開發十分簡單，用戶只需當作串口收發即可。ZLSB2030內部集成ZLAN_DDNS協議，當用戶需要訪問某個模塊時，首先需要獲得模塊當前的外網IP地址，此時，用戶只要將這個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網絡協調器相連，通過交叉網線與廣域網路由器相連，廣域網路由器與外網相連，便可以實現ZigBee網絡數據與Internet數據的交換。
2.3 信息管理
信息管理部分由內嵌網頁的設計、域名服務的申請以及信息管理系統三部分組成。
2.3.1 內嵌網頁的設計
嵌入式網頁由兩級界面構成，分為登錄界面和系統顯示界面，如圖5所示，用HTML語言和Java Script腳本語言開發。設置系統賬戶名和登錄密碼以確保數據的安全性。
ZLSN2030動態顯示網頁有txt_control和串口讀寫網頁兩種方案可選，兩種方案比較如表1所示[8]。
若節點數超過32，選擇串口讀寫網頁方案較為實用，不過需要盡量減少數據修改次數，以延長該模塊的生命周期；若節點數低于32，優先選擇txt_control方案。
通信時，ZigBee協調器發送固定格式的指令加采集的數據，便可以實現內嵌網頁的修改以及遠程控制。例如指令（十六進制）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 是標志字符，0c是txt_control 的命令代碼，10是十六進制表示，74 78 74 5f 63 74 72 00是指要替換的字符串，此指令表示要設置<TX16>的替換字符串。此時打開含有TX16控件的網頁，刷新一下即可看到內嵌網頁對應控件處出現了修改后的信息。
2.3.2 DDNS服務申請
利用ADSL上網的用戶，IP一般是基于DHCP協議分派的，因此用戶不同時間段獲得的IP是不同的[8]。為了使遠程抄表不需知道用戶的外網IP也能訪問內嵌網頁，需申請DDNS。目前國內較為著名的DDNS服務提供商有花生殼、ZoneEdit等，它們均有相應免費DDNS服務，對于遠程抄表這樣一個數據流量不是很大的系統來說，利用它們的免費服務就足夠了。用戶只需把嵌入式設備連在廣域網路由器即可。DDNS服務開通后，用戶可以通過訪問內嵌網頁來了解家庭用電情況。
2.3.3 信息管理系統
信息管理系統結合Java和SQL開發，系統運行穩定，操作簡單，功能豐富。信息管理系統框圖如圖6所示。
把所有用戶的內嵌網頁數據進行整合，本質是對用戶內嵌服務器數據的收集與整理，形成一個用戶用電信息數據庫，實現遠程抄表與信息管理。通過對各用戶用電數據的跟蹤、處理與分析，實現智能監控，可以有效防止用戶偷電漏電等異常用電情況和違規用電行為。
3 結論
本文緊緊圍繞物聯網發展趨勢，緊密結合智能家居和智能用電的新概念，提出基于ZigBee和Internet技術的遠程無線抄表系統，該系統具有開發周期短、成本低廉、組網方便、網絡穩定、數據誤碼率低等優點，具有很高的實用價值和應用前景。經過實際的測試，系統運行狀態基本達到預期效果。在本系統的基礎上，若添加遠程刷卡、網絡繳費等功能，會帶來更大的便捷，這也是今后的研究方向。
參考文獻
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[4] 高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，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.無限網絡化抄表與節能控制系統設計[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網頁控制的遠程監控監控模塊[EB/OL].[2011-03-29].http：//www.zlmcu.com/document/embedded_web_controller.html.
[8] 謝希仁.計算機網絡（第五版）[M].北京：電子工業出版社，2008.