專利名稱：一種基于ZigBee組網無線市政表計遠程數據采集系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種無線的儀表數據傳輸系統，尤其涉及一種基于ZigBee組網 無線市政表計遠程數據采集系統。
背景技術：
隨著無線通信技術的不斷發展，近年來出現了面向低成本設備無線聯網要求的技 術，稱之為ZigBee (紫峰)，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向 無線通信技術，主要適合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯網。隨著自動化和測量技術的飛速發展，小區的智能化的提高，人們對工作、生活、家 居條件的智能化水平要求越來越高，室內計量儀表數據的自動抄收已逐漸成為人們追求的 目標。在電力、自來水和管道煤氣等公用事業系統的信息化過程中，戶表數據的自動抄送具 有十分重要的意義，也是行業單位迫切想要解決的問題，因為水電煤三表數據抄送的準確 性、及時性，直接影響公用事業部門系統的信息化水平、甚至管理決策、經濟效益。傳統的手工抄表費時、費力，準確性和及時性得不到可靠的保障，這導致了相關營 銷和企業管理類軟件不能獲得足夠詳細和準確的原始數據；一般人工抄表都按月抄表，對 于用戶計量來說是可行的，但對于相關供應部門進行更深層次的分析和管理決策卻不夠， 行業的實際需求催生著自動抄表系統的技術和應用的不斷發展。基于上述原因，設計一種 長期穩定可靠、安裝維護方便，不但可以抄表讀數據而且可以控制和監控用戶負載用電情 況的遠程抄表系統，已經成為業內亟待解決的問題。
實用新型內容本實用新型目的在于提供一種基于ZigBee組網無線市政表計遠程數據采集系 統，適合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯網，可以對水電煤三表進行無線讀出數據 和控制。本實用新型的目的可以通過以下方案實現一種基于ZigBee通信的儀表數據無 線傳輸系統，包括一個中心站和多個分站，其特征在于，所述的中心站包括一個中心ZigBee 協調模塊，用于分配各分站ZigBee節點地址，協調和管理各分站節點，監控和采集各分站 數據；所述的每個分站都包括一個子ZigBee模塊，用于將該分站的儀表數據采集后傳輸到 中心站；所述的中心ZigBee模塊與子ZigBee模塊通過ZigBee通信協議無線傳輸各個分站 的儀表數據。所述的各個分站還設有GPS (衛星定位系統)通訊模塊、時鐘模塊、脈沖表計采集 模塊和數字通訊表計數據采集模塊；所述的各功能模塊通過RS232接口與該分站內的子 ZigBee模塊連接。所述的各子ZigBee模塊還設有存儲模塊，用于存儲采集到的分站數據，所述的存 儲模塊通過數據線與子ZigBee模塊數據采集端連接。存儲在各個子ZigBee模塊內的數據均帶有時間標記。每個數據的時間標記是根據內置衛星定位GPS和時鐘模塊精確較時的時鐘標記。即使通訊失效，也可以實現表計數 據在各自模塊里長達6個月的30分鐘間隔數據存儲。當通訊失效恢復后，適時將各模塊內 的數據通過既定通道發送到中心數據庫，完成數據缺失自動補償。確保監控中心所匯總的 全部表計數據庫的數據長期完整、可靠。所述的各子ZigBee模塊與所屬分站內所有儀表通過有線或無線連接，采集該分 站內所有儀表的數據。所述的中心站還設有GPRS模塊，用于將收集到的各個分站儀表數據通過GPRS通 信協議傳輸到遠程數據庫。所述的中心站還可以通過中心ZigBee模塊對各個分站的子ZigBee模塊發送控制 信號，用于關斷用電負載。所述的各個ZigBee模塊設有用于接收測控中心控制信號的GPRS端口或3G無線 移動網絡端口。為了擴大通信可以覆蓋的范圍，每個分站可以根據級聯和聯網需求設置一個全功 能子ZigBee模塊，用于傳輸本站節點數據或中繼其他分站ZigBee節點上報的數據，所述的 中心ZigBee模塊、各子ZigBee模塊和各全功能子ZigBee模塊根據數字地址分配組成多次 級聯，每個子ZigBee模塊或全功能子ZigBee模塊依次通過上一級的全功能子ZigBee模塊 傳輸到中心ZigBee模塊。所述的中心ZigBee模塊可以分配15個一次級聯的子ZigBee模塊數字地址和15 個一次級聯全功能子ZigBee模塊數字地址；而每個一次級聯全功能子ZigBee模塊又可以 分配15個二次級聯的子ZigBee模塊數字地址和15個二次級聯全功能子ZigBee模塊數字 地址。以此類推，可以進行四次級聯，有效的擴大了 ZigBee通信覆蓋范圍，而網絡最大可容 納的ZigBee節點數達到54001個。各分站子ZigBee模塊和中心ZigBee模塊之間的傳輸信道采用ZigBee固有的16 個信道中的一個作為主通信信道，其他信道作為副通信信道。對于在同一個分站內，通過ZigBee無線采集各儀表數據或控制負載時，子ZigBee 模塊與所有儀表的ZigBee傳輸信道采用副通信信道，有效的防止主通信和站內通信之間 的同頻干擾問題。本實用新型相對現有技術優點在于采用ZigBee技術和GPRS/CDMA技術結合，實 現短程和遠程的數據通信；采用站點模式使系統的網絡結構不容易受到破壞，數據傳輸可 靠性和網絡自愈能力強；并且ZigBee設備的購置、鋪設成本不高，網絡建成后同時可以免 去人工操作，大大節約了成本開銷。
圖1是本實用新型工作示意圖；圖2是本實用新型信號平衡-不平衡轉換電路原理圖；圖3是本實用新型發送功率放大電路原理圖；圖4是本實用新型接收功率放大電路原理圖；圖5是本實用新型接收發送切換電路原理圖；圖6是本實用新型外接天線或板載天線電路原理圖。[0025]圖7是本實用新型各ZigBee模塊的地址分配示意圖；圖8是本實用新型利用中繼ZigBee模塊跳躍式傳輸示意圖；具體實施方式
針對小區地形待點而設計的基于地理位置的樹形網絡來實現對整個小區數據集 中式采集。利用ZigBee作為局部的無線組網方式，而利用GPRS作為遠程的無線數據傳輸 方式，這樣就實現了局部無線到遠程無線的連接。如圖1所示，在小區中央位置設置一個中心站，每個小區單元作為一個分站。中心 站通過GPRS和外界通信，同時中心站點有一個父ZigBee模塊作為主協調器，來管理和采集 分布在小區內各個單元設置的其它子ZigBee模塊。由于ZigBee模塊通信距離的限制，點對 點采集不可能覆蓋到所有小區單元，所以必要時得通過一定中繼ZigBee來擴大通信范圍， 同時采用基于地理位置的樹形網絡來實現對整個小區數據集中式采集。以每個單元為一個采集點，中心站根據實際用電情況，對該單元發出關斷控制信 號；子ZigBee模塊以無線或有線方式來采集該單元內儀表數據和控制負載通斷電；小區內 各個單元的采集點構成一個大的網絡，每單元采集點要將數據上報給中心站。單元內子ZigBee模塊與各儀表的通信將工作在另一個ZigBee信道上，且此信道 和之前中心站與單元分站信道不同，以避免不必要的干擾和占用有限的帶寬。各分站子 ZigBee模塊和中心ZigBee模塊之間的傳輸信道采用ZigBee固有的16個信道中的一個作 為主通信信道，其他信道作為副通信信道。對于在同一個分站內，通過ZigBee無線采集各 儀表數據或控制負載時，子ZigBee模塊與所有儀表的ZigBee傳輸信道采用副通信信道，由 于距離比較短，單元內通信采用星形網即可。上述的父ZigBee模塊是主協調器(PAN)負責管理、控制和采集各分站。中繼 ZigBee模塊是全功能子紫峰模塊(FFD)可以擔任網絡協調者，具有中繼路由功能；用于設 置在單元內的分站采集點，不僅可以上報本單元數據，還可以中繼其它采集點傳來的數據。 子ZigBee模塊是精簡功能設備(RFD)只能傳送信息給FFD (或PAN)，或者從FFD (或PAN) 接收信息，不具有中繼路由功能。各ZigBee模塊主控制器型號為MC13213，是集成了 2. 4G 射頻收發器和高性能8位微控制器-64K字節內部程序存儲器，4K字節數據存儲器。模塊外 設電路有晶振時鐘電路、信號平衡-不平衡轉換電路、發送功率放大電路、接收功率放大 電路、發送接收切換電路、天線電路、電源電路、RS232接口電路等。信號平衡-不平衡轉換電路如圖2所示，作為信號轉換電路，采用 LDB212G4005C-001 型芯片。發送功率放大電路如圖3所示，采用API 110型芯片，用于將信號發大后發送到中心站。接收功率放大電路如圖4所示，采用AN5900型芯片，用于將接收到的信號發大后 輸入到各功能模塊進行信號處理。接收發送切換電路如圖5所示，采用HWS408型芯片，中繼紫峰模塊中根據需要作 發送和接收的信號切換。外接天線或板載天線電路如圖6所示，用于接收和發送采集到的數據信號。各子紫峰模塊將收集到的數據存儲在內置的數據存儲器中，存儲在各個子紫峰模塊內的數據均帶有時間標記。每個數據的時間標記是根據內置衛星定位GPS和時鐘模塊精 確較時的時鐘標記。即使通訊失效，也可以實現表計數據在各自模塊里長達6個月的30分 鐘間隔數據存儲。當通訊失效恢復后，適時將各模塊內的數據通過既定通道發送到中心數 據庫，完成數據缺失自動補償。確保監控中心所匯總的全部表計數據庫的數據長期完整、可罪。中心站與各單元分站之間的通信如圖7所示，中心站與所有分站工作在ZigBee的 同一個信道中。假定中心站的父ZigBee模塊網絡地址為0x0000，在其通信半徑范圍內它 有能力分配地址從0x0001到OxOOOF等15個精簡功能設備地址；還能分配地址從0x0010 到OxOOFO等15個全功能設備地址，而每個全功能設備在其通信半徑范圍內有能力分配地 址從0x0011到OxOOlF等15個精簡功能設備地址，以此類推。按這種地址分配方式，網絡 最多可容納MOOl個節點，進行最多四次級聯，該網絡足以覆蓋整個小區。并且可以借助地 址碼來路由數據包，使其達到最終目的節點。從分站傳輸數據到中心站假定位于小區最外圍單元其中一個節點地址是Ox 1211，如它要上報本節點數據 給中心站，那么其默認路由路徑可以通過其地址方便計算出來Ox 1211 — Ox 1210 — Ox 0210 — Ox 0010 — Ox 0000即從節點地址的高位依次找到相應所屬的中繼模塊地址，得到樹型網絡的完 整分支先將數據傳送到該分站Ox 1211的中繼ZigBee模塊Ox 1210，然后再傳輸到中 繼ZigBee模塊Ox 1210的上一級中繼Ox 0210，繼續傳輸到中繼Ox 0210的上一級中繼 0x0010，最后達到中心站Ox 0000。從中心站發送控制命令到分站又如中心站要發控制命令給地址為Ox 2221節點，那么其默認路由路徑也可方便 計算出來Ox 0000 — Ox 0020 — Ox 0220 — Ox 2220 — Ox 2221即從節點地址的低位依次找到相應所屬的中繼模塊地址，得到樹型網絡的完整分 支，最后找到該節點地址。跳躍式利用相鄰中繼模塊進行傳輸例如在某種惡劣環境下，從節點到所屬中繼模塊路徑阻塞的，那么此時節點會進 行一個主動掃描過程，搜索在其有效通信范圍半徑內，所有能夠與它自己進行直接通信的 全功能設備，從中會選擇一個信號最強或有效級聯數最少的一個設備作為它的下一跳地址。如圖8所示，某單元其節點地址為0x0011，那么它上報本單元數據給中心站時，初 始情況下它默認路由路徑是0x0011 — 0x0010 — 0x0000。但在某種惡劣環境下，從0x0011 到0x0010路徑阻塞的，那么此時節點0x0011會進行一個主動掃描過程，搜索在其有效通信 范圍半徑內，所有能夠與它自己進行直接通信的全功能設備0x1210和0x2110，從中會選擇 一個信號最強或有效級聯數最少的一個設備0x1210作為它的下一跳地址。即此時有效路 徑改為0x0011 — 0x1210 — 0x0210 — 0x0010 — 0x0000。采用本實用新型可以大大節約人工成本，提高數據采集的效率和精度。同時可以 及時根據采集的數據對相應的小區單元作出負載斷電等控制。
權利要求1.一種基于ZigBee組網無線市政表計遠程數據采集系統，包括一個中心站和多個分 站，其特征在于，所述的中心站包括一個中心ZigBee協調模塊，用于分配各分站ZigBee節 點地址，協調和管理各分站節點，監控和采集各分站數據；所述的每個分站都包括一個子 ZigBee模塊，用于將該分站的儀表數據采集后傳輸到中心站；所述的中心ZigBee模塊與子 ZigBee模塊通過ZigBee通信協議無線傳輸各個分站的儀表數據。
2.根據權利要求1所述一種基于ZigBee組網無線市政表計遠程數據采集系統，其特征 在于，所述的各個分站還設有GPS通訊模塊、時鐘模塊、脈沖表計采集模塊和數字通訊表計 數據采集模塊；所述的各功能模塊通過RS232接口與該分站內的子ZigBee模塊連接。
3.根據權利要求1所述的一種基于ZigBee組網無線市政表計遠程數據采集系統，其特 征在于，所述的各子ZigBee模塊還設有存儲模塊，用于存儲采集到的分站數據，所述的存 儲模塊通過數據線與子ZigBee模塊數據采集端連接。
4.根據權利要求1所述的一種基于ZigBee組網無線市政表計遠程數據采集系統，其特 征在于，所述的各子ZigBee模塊與所屬分站內所有儀表通過有線或無線連接，采集該分站 內所有儀表的數據。
5.根據權利要求1所述的一種基于ZigBee組網無線市政表計遠程數據采集系統，其特 征在于，所述的中心站還設有GPRS或3G數據通道模塊，用于將收集到的各個分站儀表數據 通過GPRS通信協議傳輸到遠程市政管理測控中心的數據庫。
6.根據權利要求1所述的一種基于ZigBee組網無線市政表計遠程數據采集系統，其特 征在于，所述的各個ZigBee模塊設有用于接收測控中心控制信號的GPRS端口或3G無線移 動網絡端口。
7.根據權利要求1所述的一種基于ZigBee組網無線市政表計遠程數據采集系統，其 特征在于，每個分站還設有一個全功能子ZigBee模塊，用于傳輸本站節點數據或中繼其他 分站ZigBee節點上報的數據，所述的中心ZigBee模塊、各子ZigBee模塊和各全功能子 ZigBee模塊根據數字地址分配組成多次級聯，每個子ZigBee模塊或全功能子紫峰模塊依 次通過上一級的全功能子紫峰模塊傳輸到中心ZigBee模塊。
8.根據權利要求1所述的一種基于ZigBee組網無線市政表計遠程數據采集系統，其 特征在于，所述的中心ZigBee模塊分配15個一次級聯的子ZigBee模塊數字地址和15個 一次級聯全功能子ZigBee模塊數字地址；而每個一次級聯全功能子ZigBee模塊又分配15 個二次級聯的子ZigBee模塊數字地址和15個二次級聯全功能子ZigBee模塊數字地址，進 行四次上述級聯。
9.根據權利要求1所述的一種基于ZigBee組網無線市政表計遠程數據采集系統，其特 征在于，各分站子ZigBee模塊和中心ZigBee模塊之間的傳輸信道采用ZigBee固有的16個 信道中的一個作為主通信信道，其他信道作為副通信信道；在同一個分站內，子ZigBee模 塊與所有儀表的ZigBee傳輸信道采用副通信信道。
專利摘要本實用新型公開了一種基于ZigBee通信的儀表數據無線傳輸系統，包括一個中心站和多個分站，所述的中心站包括一個中心ZigBee協調模塊，用于分配各分站ZigBee節點地址，協調和管理各分站節點，監控和采集各分站數據；所述的每個分站都包括一個子ZigBee模塊，用于將該分站的儀表數據采集后傳輸到中心站；所述的中心ZigBee模塊與子ZigBee模塊通過ZigBee通信協議無線傳輸各個分站的儀表數據。優點在于采用ZigBee技術和GPRS/CDMA技術結合，實現短程和遠程的數據通信；采用站點模式使系統的網絡結構不容易受到破壞，數據傳輸可靠性和網絡自愈能力強；并且ZigBee設備的購置、鋪設成本不高，網絡建成后同時可以免去人工操作，大大節約了成本開銷。
文檔編號H04L29/06GK201839445SQ200920153439
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月16日 優先權日2009年5月27日
發明者鄭貴林 申請人:鄭貴林