簡談物聯網的遠程抄表系統的 應用及設計

　　劉丹
 

　　安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801
 

　　摘 要：本文基于物聯網的概念，使用 ZigBee、通用分組無線服務技術兩種無線通信技術相結合的方式實現遠程抄表并對數據進行存儲和管理。此系統設計主要分為硬件方面的設計和軟件方面的設計，硬件方面的設計需要完成三個部分的硬件制作，包含了采集器、協調器、和 GPRS 模塊，需要完成數據的傳輸等功能；軟件設計主要包括 ZigBee模塊的硬件接口編寫、上位機的數據監測管理軟件的編寫等。
 

　　關鍵詞：物聯網；ZigBee；GPRS；數據庫
 

　　0.引言
 

　　為了率且較準確的采集居民電力的使用情況，需要對以往的電能抄表技術進行提高和革新。采用遠程抄表這種方式不需要人員以及物力成本去布置專門的線路，具有抄表準確高、高工作效率等優點 [1] 。在遠程抄表系統的理論研究上，國外的研究時間比國內早，技術也更成熟，美國、等歐洲都已經得到了廣泛的運用。遠程抄表系統建設的關鍵是要使數據在通信時保持穩定且準確 [2] 。
 

　　1.遠程抄表系統硬件總體設計
 

　　遠程抄表系統的硬件總體設計如圖 1 所示，包含電表、RS485 接口、采集器模塊、協調器模塊、GPRS 模塊五大部分。
 

圖 1 遠程抄表系統硬件總體設計框圖
 

　　電表也叫電度表，采用 RS485 通信，為了實現電度表與采集器 D 相互通信 [3] ，需要在兩個模塊之間添加一個電平轉換模塊，本系統采用 MAX485 芯片，5V 電源供電，數據
 

　　雙向傳輸，傳輸速率 10Mbps。
 

　　ZigBee 模塊采用 CC2530 芯片，采用 3.3V 對其供電，芯片具有與 RF 收發器功能，可實現短距離內數據更可靠安全地無線傳輸、支持 IEEE 802.15.4 標準。GPRS 模塊主芯片采用 Goouuu-GA6，其工作電壓為5V，可支持 AT 命令口，支持標準 AT 和 TCP/IP 命令接口，GA6 具有“永遠在線”、按量計費、高速傳輸等特性。
 

　　1.1局域網內數據無線收發天線設計
 

　　本系統中，主要采用 CC2530 芯片內置的數據收發器進行數據在采集器與集中器之間的數據通信，即局域網內的數據無線通信。CC2530 芯片內部集成了數據無線發送時TX/RX 的開關，25、26PIN 引腳為 RF 接收發器輸入輸出引腳。芯片到天線之間需要一個電路，即平衡-不平衡阻抗變換電路，目的是將前端的射頻信號(差模信號輸出)轉為天線的單端輸出，單極子的天線傳輸數據時較不穩定，需要一個阻抗為 50 歐姆的巴倫匹配電路來使數據傳輸更穩定。
 

　　CC2530 芯片可以通過 RF_N 和 RF_P 端口與天線進行相連接。天線部分可以使用 PCB 類型天線，本系統采用的是具有 SMA 接口的桿狀天線。天線及巴倫匹配電路設計如圖 2
 

　　所示。
 

圖 2 天線及巴倫匹配電路設計
 

　　1.2采集器模塊總體電路設計
 

　　電表中的數據經RS485串口傳送到CC2530芯片CPU中，ZigBee 模塊中的 RF 收發器將數據無線發送，采集器模塊總體電路原理圖如圖 3
 

圖 3 采集器模塊總體電路原理圖
 

　　1.3協調器模塊總體電路設計
 

　　協調器端ZigBee模塊的RF收發器將采集器端發送的無線數據進行接收，通過發送、接收引腳與 Goouuu-GA6 芯片進行通信，利用 GPRS 模塊將數據遠程發送到上位機監控中心，協調器模塊總體電路原理圖如圖 4 所示。
 

圖 4 協調器模塊總體電路原理圖
 

　　1.4 GPRS模塊電路設計
 

　　GPRS模塊采用Goouuu-GA6芯片，其主要由電源、天線接口、SIM卡連接電路組成，天線采用彈簧天線，采用3V SIM卡，Goouuu-GA6模塊電路原理圖如圖5所示。
 

圖 5 Goouuu-GA6 模塊電路原理圖
 

　　2.遠程抄表系統的軟件部分設計
 

　　遠程抄表系統的軟件程序編寫主要包括各模塊的初始化、建立、連接網絡、RF天線收發數據、GPRS模塊發送數據、上位機接收數據等部分，系統主程序設計流程圖如圖6
 

　　所示。
 

       2.1數據傳輸程序設計

 

　　采集器/協調器程序設計主要采用IAR開發平臺，使用Z-stack協議，其包括MAC層、MWK層、HAL驅動層、APP應用層等。
 

　　采集器程序主要包括設備節點的初始化、協調器建立網絡連接、RF接收器實現數據無線傳輸等；協調器程序主要包括設備節點的初始化、建立局域網網絡、啟動GPRS模塊、
 

　　接收數據并遠程發送數據等。
 

　　局域網中采用的無線收發數據程序設計要保證兩個設備有著相同的通信頻率、通道號、網絡ID、才可以實現局域網內的無線通信。
 

　　GPRS模塊程序主要包括硬件初始化、附著激活網絡、連接服務器、遠程發送數據等。通過編寫AT命令的相關程序來控制GPRS模塊進行遠程數據的傳輸。
 

　　上位機管理軟件程序設計是采用.Net平臺的Winform開發，以及ADO.Net平臺進行數據庫的訪問、數據庫數據存儲、查詢等與數據庫相關的應用程序編程。
 

　　Net擁有C/S模式、B/S兩種交互模式，此系統設計采用的是C/S模式，實現服務器端對客戶端的連接監測和數據接收[4]。TCP/IP網絡的應用程序使用Socket網絡編程[5]；ADO.Net包含用于連接到數據庫、執行命令和檢索數據結果的一組類庫，可以通過程序的方式訪問主機中的數據庫。
 

　　2.2數據管理程序設計
 

　　數據管理程序即上位機管理軟件程序主要包括用戶登錄界面程序設計、服務器端的IP端口連接監測程序設計以及SQL語句數據庫的建立程序設計。
 

　　用戶登錄界面程序主要包括將輸入到文本框中的數據與數據庫中的信息進行比較，若相同則可以進入數據庫查詢系統，否則無法進入數據庫。
 

　　服務器端的IP端口連接監測程序主要包括讀取本機IP和端口號、設定隊列、等待客戶端的連接并讀取客戶端所發的數據并存入到數據庫中。
 

　　SQL語句數據庫的建立程序設計包括用戶登錄信息數據庫的建立程序設計以及對客戶端向服務器發送的數據進行存儲的數據庫的建立程序設計。
 

　　3.系統實現
 

　　采集器端采集的數據通過RF天線無線傳輸到協調器，協調器通過GPRS自帶的Internet技術將字符串遠程的傳輸到上位機服務器端，系統硬件實現部分如圖7。
 

圖7 系統硬件實現部分
 

　　用戶登錄界面設計實現如圖8，數據庫數據查詢設計實現如圖9。
 

圖 8 用戶登錄界面設計實現
 

圖 9 數據庫數據查詢設計實現
 

　　4.安科瑞遠程預付費抄表系統的介紹及其應用
 

　　4.1系統簡介
 

　　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。
 

遠程集中抄表：抄表信息通過網關實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表。
 

　　水表預付費:可是查看某區域水表的實時狀態信息，并可以進行單表或批量設置水價控閥等操作。
 

       遠程售電:財務集中管理，電量實時下發，并比對充值次數防止，方便快捷。

 

　　能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務數據、能耗和財務的期初期末值等數據。
 

　　在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現在線自助充值水電費，也可以實時關注商鋪用水用況。
 

    短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。

 

    遠程控制:可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。

 

　　4.3設備選型
 

       5.結束語

 

　　基于物聯網的概念，采用ZigBee、通用分組無線服務技術兩種無線通信技術相結合的方式實現遠程抄表并對其數據進行存儲和管理。充分發揮通信技術和計算機技術的作用，降低了現場布線的復雜難度，獲得更加準確的數據。使用ZigBee技術，會使得設備節點更加地不費電，同時功耗很低，這樣就增加了使用的時間；采用的GPRS技術，選擇的是TCP/IP通信模式，用戶可以不必詳細了解其數據交換的全過程；上位機控制中心，采用.Net與ADO.Net相結合的方式實現直接對遠程接收到的數據進行查詢和存儲。
 

　　參考文獻
 

　　[1] 霍弘宇.基于物聯網的遠程抄表應用研究[D].吉林：吉林大學，2014.
 

　　[2] 何穎秋,郭俞君.基于物聯網的遠程抄表系統的設計[J].
 

　　[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版.