基于ZigBee技术的自动抄表系统

摘要

本发明涉及一种基于ZigBee无线通信技术的自动抄表系统，其中该自动抄表系统数据采集器、中继器、集中器、手持设备等通信设备，上述通信设备均具有ZigBee通信模块，能够提供实时、高速、可靠的数据通信服务，完成数据冻结、节点管理、调试诊断等功能，实现电表、水表、气表、热表数据的网络化自动抄收。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动控制系统，尤其涉及一种无线的水、电、气表的自动抄表系统。

背景技术

现有的水、电、气、热表计费、收费，大都采用分散的手工抄表、计费收费，需要大量的人力和时间，而且工作效率低，劳动强度大，一些单位和个人拖欠水、电、气费的现象严重，影响了水、电、气公司的经济利益。目前，也出现了通过购买IC卡、对IC卡进行充值来购买电费的方式，然而，这种方式的自动化程度低，且不能实时地对用户使用的水、电、气表数据进行收集、统计和统一管理。

发明内容

本发明的目的之一能够提供实时、高速、可靠的数据通信服务，实现电表、水表、气表、热表数据的网络化自动抄收。

因此，本发明一方面，提供了一种基于ZigBee无线通信技术的自动抄表系统，该系统包括至少一个计量仪表、至少一个数据采集器以及一个集中器，其中数据采集器连接并管理至少一个计量仪表，数据采集器具有ZigBee无线通信模块，其通过所述的ZigBee无线通信模块将采集到的计量仪表的计量数据传送给集中器，集中器具有ZigBee无线通信模块以及远距离通信单元，集中器通过它的ZigBee无线通信模块接收所述计量数据，并通过远距离通信单元将所述仪表数据传送出去，其中所述的ZigBee无线通信模块是符合ZigBee无线通信标准的通信单元。

本发明的另一方面，提供了一种手持设备，其具备移动功能，能够随时加入或离开所述ZigBee自动抄表网络，不受物理位置所限制；该手持设备数据抄收功能：能够访问一定物理范围内的其他数据采集器或集中器中的数据，显示、存储和管理这些数据，并提供适当的接口将这些数据上传到上层数据管理软件；网络测试功能：能够提供手持设备所在地理位置的无线信号强度或通信半径内ZigBee通信设备数量的信息。

上述自动抄表系统不仅可以实现电表、水表、气表、热表的一体化抄收，而且相比传统的有线抄表方式，具有便于安装维护，应用灵活，具备很强扩展能力等优点。

附图说明

图1是本发明所述的ZigBee自动抄表系统结构示意图(图1中的各个部件需要加入附图标记)。

图2是本发明所述的采集器的内部结构图，以及采集器与计量仪表中的电表的连接方式示意图。

图3是本发明所述的集中器的内部结构示意图。

图4是本发明所述的手持设备的内部结构示意图。

图5是本发明所述的中继器的内部结构示意图。

图6是本发明所述的计量仪表中的水表、气表、热表与ZigBee无线通信模块之间的连接方式示意图。

图7是本发明所述的计量仪表中的电表与ZigBee无线通信模块之间的连接方式示意图。

图8是中继器的中继功能示意图。

具体实施方式

以下将参照附图对本发明所述的基于ZigBee无线通信技术的自动抄表系统的系统结构和运行步骤进行详细描述。

如图1所示，本发明所述的基于ZigBee无线通信技术的自动抄表系统包括多个计量仪表(1)、多个数据采集器(2)、多个中继器(3)、一个集中器(4)以及与通过远距离通信单元(9)与集中器相连的计算机(5)和数据库(6)，其中每个数据采集器(2)连接并管理多个计量仪表(1)，数据采集器(2)具有ZigBee无线通信模块(8)，其通过所述的ZigBee无线通信模块(8)将采集到的所述计量仪表(1)的计量数据传送给所述集中器(4)，集中器(4)具有ZigBee无线通信模块(8)以及远距离通信单元(9)，集中器(4)通过它的ZigBee无线通信模块(8)接收计量数据，并通过远距离通信单元(9)将所述仪表数据传送给计算机(5)和数据库(6)，计算机上运行有上层数据管理软件，为用户提供自动抄表网络中的数据访问界面，能够通过集中器访问ZigBee自动抄表网络中的所有测量仪表中的数据，并将数据保存到数据库中，为用户提供数据查询、分析、报表生成等服务。ZigBee无线通信模块(8)通过SPI方式与手持设备(7)连接，并且从手持设备(7)内部的充电电池获得电源供应，由于手持设备只需要持续工作数个小时即可重新充电，因此与手持设备相连的ZigBee无线通信模块(8)不需要休眠，是具备路由能力的完整功能节点(FFD)。手持设备(7)不与任何计量仪表连接。

图2是本发明所述的采集器的内部结构图，以及采集器与计量仪表中的电表的连接方式示意图。从图中可见，采集器内部主要包含中央处理单元CPU、电源模块、数据存储单元、RS485电平转换单元。其中CPU控制整个采集器的行为；电源模块可以将外部交流220V电源转换为内部直流5V电源，供采集器内部所有部件及与之相连的ZigBee无线通信模块(不休眠模块FFD)使用；数据存储单元与CPU之间以I²C方式连接，用于存放冻结数据，并且在采集器掉电之后，所存储的数据不会丢失；RS485电平转换单元与CPU之间以串行(USART)方式连接，可将TTL电平转换为RS485电平，或进行逆变换。计量仪表(电表)中的电表可支持RS485通信方式，因此采集器可通过RS485总线连接多个计量仪表中的电表，与这些电表实现数据交换。ZigBee无线通信模块通过SPI方式与采集器连接，并且从采集器内部的电源模块获得持续、稳定的电源供应，因此与采集器相连的ZigBee无线通信模块不需要休眠，是具备路由能力的完整功能节点(FFD)。

图3是本发明所述的集中器的内部结构示意图。从图中可见，集中器内部主要包含中央处理单元CPU、电源模块、数据存储单元、远距离通信单元(GPRS/CDMA/PSTN等)、ZigBee无线通信模块(协调器Coordinator)。其中CPU控制整个集中器的行为：电源模块可以将外部交流220V电源转换为内部直流5V电源，供集中器内部所有部件使用；数据存储单元与CPU之间以I²C方式连接，用于存放冻结数据，并且在集中器掉电之后，所存储的数据不会丢失；远距离通信单元与CPU之间以串行(USART)方式连接，可实现集中器与上层数据管理软件之间的数据交换；ZigBee无线通信模块通过SPI方式与集中器连接，并且负责建立和管理ZigBee网络，是协调器(Coordinator)。集中器不与任何计量仪表连接。

图4是本发明所述的手持设备的内部结构示意图。从图中可见，手持设备(7)内部主要包含中央处理单元CPU、充电电池、数据存储单元、LCD显示单元、键盘输入单元、其他通信接口单元(USB、以太网等)。其中CPU控制整个手持设备的行为；充电电池为手持设备内部所有部件及与之相连的ZigBee无线通信模块(不休眠模块FFD)提供电源；数据存储单元与CPU之间以I²C方式连接，用于存放冻结数据，并且在手持设备掉电之后，所存储的数据不会丢失；LCD显示单元用于显示命令执行结果；键盘输入单元用于向手持设备输入命令；其他通信接口单元用于将手持设备所存储的数据高速、高校的传输到上层数据管理软件。ZigBee无线通信模块通过SPI方式与手持设备连接，并且从手持设备内部的充电电池获得电源供应，由于手持设备只需要持续工作数个小时即可重新充电，因此与手持设备相连的ZigBee无线通信模块不需要休眠，是具备路由能力的完整功能节点(FFD)。手持设备不与任何计量仪表连接。

图5是本发明所述的中继器的内部结构示意图。图8是中继器的中继功能示意图。从图中可见，中继器内部主要包含中央处理单元CPU、电源模块、数据存储单元。其中CPU控制整个手持设备的行为；电源模块可以将外部交流220V电源转换为内部直流5V电源，供中继器内部所有部件及与之相连的ZigBee无线通信模块(不休眠模块FFD)使用；数据存储单元与CPU之间以I2C方式连接，用于存放冻结数据，并且在中继器掉电之后，所存储的数据不会丢失。ZigBee无线通信模块通过SPI方式与中继器连接，并且从中继器内部的电源模块获得持续、稳定的电源供应，因此与中继器相连的ZigBee无线通信模块不需要休眠，是具备路由能力的完整功能节点(FFD)。中继器不与任何计量仪表连接。

图6是本发明所述的计量仪表中的水表、气表、热表与ZigBee无线通信模块之间的连接方式示意图。从图中可见，水表、气表、热表是靠电池供电的，其内部包含计量机构和计量显示单元。一般而言上述三种仪表的计量机构是机械装置，不需要电源供应；计量显示单元有的不需要电源供应(例如机械齿轮显示)，有的需要电源供应(例如液晶显示)。ZigBee无线通信模块可通过模拟/数字转换(A/D)从上述三利计量仪表中的计量机构获得计量值，并且从上述三种计量仪表内部的电池获得电源供应，由于上述三种计量仪表需要依靠电池持续工作较长时间(数年)，因此上述三种计量仪表相连的ZigBee无线通信模块需要长时间休眠，是不具备路由能力的简单功能节点(RFD)。

图7是本发明所述的计量仪表中的电表与ZigBee无线通信模块之间的连接方式示意图。从图中可见，电表可通过外部交流电获得稳定的电源供应，完成电能量的计量等一系列任务。ZigBee无线通信模块(不休眠模块FFD)通过串行接口(USART)与计量仪表中的电表连接，并且从上述电表中获得持续、稳定的电源供应，因此与计量仪表中的电表相连的ZigBee无线通信模块不需要休眠，是具备路由能力的完整功能节点(FFD)。

根据上述附图，本发明所提出的自动抄表系统包括以下几个运行步骤：

1.声明集中器

集中器作为ZigBee网络的协调器(Coordinator)，在逻辑上是整个自动抄表网络的中心，但是协调器在完成ZigBee网络的建立和初始化工作之后，它和网络中的各个FFD节点(包括不休眠通信模块，数据采集器，中继器)在网络层是对等的，理论上每一个FFD都可以成为集中器。因此，协调器在建立ZigBee网络之后，首先需要向自动抄表网络中的其他各个FFD节点声明自己作为集中器的逻辑地位，以便其他各个FFD向自己会聚各自所冻结的数据。具体过程是：

按照一定的时间间隔，集中器以广播的形式向ZigBee自动抄表网络中的所有FFD节点发送广告(Advertisement)帧，在此广告帧中包含有集中器的地址，网络同步时间等信息。接收到此广告帧的各个FFD节点，可获得以下三方面的重要信息：1)集中器的地址，即自动抄表系统中的冻结数据会聚地址，所有冻结数据都将会聚到这个地址；2)通往集中器的路由信息，据此各个FFD节点的数据可以快捷高效的发送到集中器；3)网络的同步时间，据此各个FFD节点时间都最大限度的与集中器保持一致。

接收到广告帧的各个FFD节点，需要向集中器返回一个应答帧，在这个应答帧中包本节点的地址、本节点的邻居表(Neighbor Table)、所连接的电表状态等信息。集中器对所有应答帧进行统计和整理，就可以获得整个自动抄表网络的规模、结构、状态等信息，从而可以有效的管理网络。

由于ZigBee自动抄表网络具备良好的可扩展性，网络中可以有新节点加入，或者有的节点因为某种原因离开网络，然后又重新加入网络，因此集中器需要按照一定的时间间隔重复声明集中器(即重复发送广告帧)，这样新加入网络的节点可以及时获得集中器地址等信息，保证冻结数据的正确会聚。另一方面，集中器也可以周期性的不断从相应的应答帧中获得各个节点的实时信息，确保网络的正确运行。

2.设置各个采集器所连接的电表数、电表号

采集器通过RS485总线连接多个电表，就目前的电表所支持通信协议而言，采集器无法自动获得其所连接的电表个数、电表号(即电表标识)等信息，因此，为了使采集器能够正确的与其所连接的各个电表通信，上层数据管理软件需要通过集中器设置ZigBee自动抄表网络中每一个采集器的上述信息。相反的，由于中继器不与任何仪表连接，因此不必设置上述信息；而不休眠通信模块只与一个仪表连接，可以遵循电表所支持的通信协议获得上述信息。

具体过程是：上层数据管理软件通过远距离通信手段(例如GPRS、PSTN等)，将设置命令发送到ZigBee自动抄表网络的集中器，再由集中器以广播的形式将设置命令转发到各个采集器。各个采集器将这些信息保存于非易失存储介质(例如E²PROM，FLASH等)中，这样即使采集器因故失去电源供应，在重新恢复供电之后，这些信息也不会丢失，从而不必重新设置。

由于集中器并不知道每一个采集器的路由信息(相反通过发送广告帧，各个采集器是可以获得集中器的路由信息的)，因此集中器采用广播的形式向采集器转发设置命令以减少网络通信负担。因此，各个采集器在接收到设置命令之后，需要在判断设置命令的目的地址是否与自己的地址相同。如果相同，说明设置命令是发给自己的，保存设置信息并向集中器返回一个应答；如果不相同，则说明设置命令不是发给自己的，需要向其他节点继续广播所接收到的设置命令，直到网络中每一个FFD节点都接收到这一设置命令为止。

3.设置各个采集器、不休眠通信模块需要冻结的数据标识

现今使用的电子式电能表是比较复杂的计量设备，能够计量并维护一系列测量结果数据(包括分时、阶梯电量，最大需量等)。为了正确的访问这些数据，电能表所遵守的通信协议为电能表内部的每一个数据都定义了一个数据标识。数据标识是电表中数据的代号，电表中的每一项数据都对应着一个数据标识，而每个数据标识可以唯一的确定一项数据。在发送到电表的抄表命令中都包含了数据标识，电表通过数据标识就可以识别出要访问的是哪项数据。

由于采集器连接了多个电表，因此采集器在从集中器接收到抄表命令之后，需要依次向其连接的各个电表转发抄表命令，然后将电表返回的数据逐一返回集中器。由于电表所支持的通信速度很慢(1200～9600波特率)，这一过程将会造成较大的延时，尤其是当采集器所连接的电表较多时，所产生的延时将难以容忍，实时性很差。另一方面，各个采集器逐一向集中器返回抄收数据不仅通信效率低下，而且频繁的无线通信会导致无线网络堵塞，影响ZigBee网络的稳定性。

在正常使用情况下，并不需要抄收电表中的所有数据项，一般只抄收每个电表中特定的某几项数据就可以满足计费需要。考虑到上述情况，可以在ZigBee自动抄表系统中使用数据冻结技术来提高抄表的实时性，同时提高ZigBee网络的通信效率。数据冻结是指采集器周期性的从连接的各个电表中抄收特定数据标识所对应的数据，并将这些数据连同抄收时间一起以适当的形式保存。这些数据和抄收时间一起组成了被冻结数据。这样，采集器在接收到抄表命令之后，如果抄表命令中所包含的数据标识已经被冻结，则不需要向电表转发抄表命令，可以直接将与之对应的冻结数据按照特定的格式发送到集中器。

为了使各个采集器能够有效的冻结数据，需要通过集中器设置各个采集器需要冻结的数据标识。在被设置需要冻结的数据标识之后，采集器将冻结这些数据标识所对应的数据。根据采集器所具备的数据存储能力，可设置多项数据标识。一般而言，在同一个自动抄表网络中，所有采集器中需要冻结的数据标识都是相同的，因此集中器可以采用广播的方式来设置所有采集器中需要冻结的数据标识。

对于不休眠通信模块而言，由于只连接了一个电表，因此向电表转发抄表命令也不会产生较大的延时，可以不冻结数据。但是为了保证整个ZigBee自动抄表网络内部的数据同步和便于数据管理，不休眠通信模块对其所连接的电表进行数据冻结，并且采取与集中器相同的方法来设置需要冻结的数据标识。

4.水、气、热表的数据抄收方式

与水、气、热表连接的ZigBee无线通信模块是休眠模块，使用电池供电，必须长时间处于休眠状态以节省功耗，处于活动状态的时间非常短暂。在这种情况下，这些休眠模块很难有机会在短暂的唤醒时间内，恰巧接收到来自集中器的抄表命令并及时做出应答。

为了解决这个问题，与水、气、热表连接的ZigBee抄表通信模块采取以下的工作方式：1)ZigBee通信模块长时间处于休眠状态，除了休眠定时器仍在计时外，不执行任何操作，以最大限度降低功耗；2)休眠定时器时间到，通信模块被唤醒，从计量仪表中的计量机构获得当前的计量数据，汇同当前的时间一起以无线的方式发送到中继器，然后继续休眠。

中继器有持续的电源供应而不需要休眠，因此在任何时刻休眠模块退出休眠状态，都可以立刻将数据发送到中继器，从而尽快返回休眠状态，最大限度的缩短活动时间，节省功耗。这样，水、气、热表中的数据就被冻结在中继器上，任何时候中继器接收到来自集中器的抄表命令之后，都可以将所冻结的数据返回给集中器。

5.集中器统一抄收网络中的所有冻结数据

上层数据管理软件所发出的抄表命令，是通过集中器转发到网络中各个节点的。集中器从上层数据管理软件接收到抄表命令之后，就向ZigBee自动抄表网络中的所有节点广播一个集中抄表命令，要求所有具备冻结数据能力的节点按照一定的格式，返回各自所冻结的数据。集中器整理所有返回的冻结数据，并将这些冻结数据统一传回上层数据管理软件。

集中器也可以在没有从上层数据管理软件接收到抄表命令的情况下，主动向网络中的所有节点广播一个抄表命令，并存储所有节点返回的冻结数据，完成数据在集中器上的二次冻结。这样，集中器在从上层数据管理软件接收到抄表命令后，就可以立刻将已经提前二次冻结的数据返回给上层数据管理软件，从而缩短响应时间。

各个节点在向集中器返回冻结数据之前，需要先进行一段随机长度的延时，目的是避免所有节点在同一时刻向集中器返回冻结数据，从而造成ZigBee自动抄表网络的通信堵塞。可按照适当的方法选择延时的随机长度，尽可能使各个节点采取不同的延时长度，以最大限度的避免发生通信冲突。

6.集中器点抄少数节点的冻结数据

集中器在广播抄表命令来抄收各个节点的冻结数据之后，可能有少数节点由于某些原因，没有在规定的时间内返回其冻结数据。在这种情况下，集中器将向这些没有返回冻结数据的少数节点发送点抄命令，并在点抄命令中包含了这些少数节点的地址。由于集中器中并没有这些节点的路由信息，为了减少网络负担，集中器采用广播的方式发送点抄命令，即所有节点都将接收到这个点抄命令，包括那些已经正确返回冻结数据的节点。因此，各个节点在接收到点抄命令之后，需要判断本节点的地址是否出现在点抄命令中所包含的地址中，即判断集中器是否在点抄本节点的冻结数据。如果点抄命令并不是针对本节点，则忽略此点抄命令而不返回任何数据，以减少不必要的重复通信负担；如果点抄是针对本节点，则按照步骤1中所存储的通向集中器路的由信息，向集中器返回冻结数据。

如果集中器在点抄某个节点一定次数(此次数值可人为设置)之后，仍然没有从该节点接收到返回的冻结数据，则集中器认为该节点出现了故障，从而不再尝试向其发送点抄命令，并向上层数据管理软件返回一个报警信息，以便故障能够得到及时处理。

采取点抄的方式来抄收少数节点的冻结数据，只有被点抄的节点才向集中器返回冻结数据，从而在很大程度上减轻了ZigBee自动抄表网络的通信负担。

7.向个别电表发送特殊的或实时的命令

在ZigBee自动抄表网络中，可能包含了多种类型的电表。尽管这些电表所支持的通信协议大致上是相同的，但是某些类型的电表可能具备特殊的功能(例如计量协波电量功能等)，需要特殊的命令才能读取这些特殊数据。另一方面，ZigBee自动抄表系统有时需要向某些电表发送实时命令(例如发送远程拉合闸命令等)，并要求电表实时的做出响应，完成相应控制或调试功能。在这种情况下，仅仅只抄收冻结数据显然是不能满足ZigBee自动抄表系统应用要求的。

为了兼容所有类型电表的通信协议，同时满足实时性的要求，集中器可向个别电表转发特殊的或实时的命令。转发操作的实质是用ZigBee通信协议嵌套电表通信协议，即：集中器把从上层数据管理软件接收到的针对电表的特殊或实时命令，不做任何修改，作为ZigBee通信数据包的数据负载，直接发送到其他节点。接收到这种转发命令的节点，对ZigBee通信数据包中的数据负载(即针对电表的特殊或实时命令)不做任何处理，直接转发到与其相连的电表中，电表会根据所接收到的命令返回数据或做出正确的响应。同样，对于电表所返回的数据，各个节点也不做任何处理，把这些返回数据当作ZigBee通信数据包中的数据负载，直接转发给集中器，并由集中器返回给上层数据管理软件。

采用这样的命令转发方式，可以最大限度的保证ZigBee自动抄表系统的灵活性、可扩展性和兼容性，同时还提供了向电表发送特殊的或实时的命令的功能。当然，这种命令转发方式也存在以下缺点：1)通信效率比较低下；2)对转发的命令不做判断，因此如果所转发的命令是错误的，则不仅浪费了通信资源，而且电表也不会做出正确的响应，也就是说，上层数据管理软件必须提供完整的、正确的电表命令，经过转发之后，才能得到所期望的结果。考虑到在自动抄表系统中，需要发送这种特殊的或实时的命令的情况较少，因此尽管这种命令转发方式存在一定问题，但是对ZigBee自动抄表网络的通信并不会造成大的影响。

8.手持设备抄收冻结数据

作为一种辅助的抄收手段，手持设备也可以抄收冻结数据，并且具备键盘和显示屏等人机交互界面，能够输入抄表命令并显示命令的执行结果。与集中器一次性抄收整个网络内所有冻结数据不同，手持设备一般只抄收小范围内各个节点的冻结数据。这是因为手持设备是可移动的，可以将分布在广大地理范围之内的所有节点中的冻结数据，分多次小范围抄收。

与集中器相同，手持设备也是通过向其他节点广播一个抄表命令来抄收这些节点中冻结数据的，但是广播的半径要小得多，因此这个抄表命令只有安装在手持设备周围的小范围内的节点接收到。广播半径是指广播数据帧被其他节点转发的次数。如果转发次数不限，则广播数据帧将在网络内被无限转发，直到网络中每个节点都至少接收到一次该广播数据帧为止(集中器发送的广播就是这种类型)。

节点在接收到由手持设备发送的抄表命令之后，并不会区分该命令是来自手持设备还是来自集中器，而是仍然按照步骤5所述的方法，在一定的随机延时之后，向手持设备返回冻结数据，并由手持设备按照一定的格式存储所有这些数据。在抄收完毕某个区域内所有节点的冻结数据之后，手持设备可以移动到下一个区域，再次发送小范围的抄表命令来抄收该区域内的冻结数据，如此反复，直到抄收完毕整个网络内的所有冻结数据。然后，手持设备可将所存储的冻结数据上载到上层数据管理软件。手持设备也可通过键盘和显示屏等人机交互界面，提供简单的数据查询功能，以便确认数据是否抄收正确、完整。

9.使用手持设备安装和调试自动抄表网络

手持设备作为一种便携式设备，除了具备步骤8所述的辅助抄表功能外，还具备以下两个方面的重要用途：1)指导安装：在安装ZigBee自动抄表系统中的各个节点时，由于ZigBee无线通信信号会受到周围环境的阻挡、屏蔽、干扰等，信号强度和通信质量会受到影响，利用手持设备，可以检测出在特定位置，无线信号受到影响的程度，从而可以据此来选择各个节点的安装位置或采取适当的措施(例如加长天线或增加发射功率等)，来保证每个节点都能够可靠的通信；2)协助调试：当ZigBee自动抄表系统中的某些节点出现故障或问题时，利用手持设备向出现故障的设备发送特定的诊断命令，通过这些故障设备对诊断命令的响应，就可以非常方便的判断出故障和问题之所在，有助于问题的迅速解决。