浅谈远程预付费无线抄表系统的设计与应用
2021-09-06 14:09:24 来源：安科瑞王蒙蒙
摘要：针对目前人工抄表系统存在的效率低、成本高、使用不方便等问题，本文设计了一种将蓝牙技术和ZigBee技术相结合的手持式远程无线抄表终端系统。本文主要介绍了系统设计的总体架构、工作原理以及实现系统功能的关键技术。手持式远程无线抄表系统对于克服传统的人工抄表模式的弊端，实现水、电、煤气管理的自动化具有重要意义。
关键词: ZigBee；无线抄表系统；手持式
0引言
随着科技的发展，在水、电以及煤气等公共管理事业部门中，人工抄表系统得到了广泛的应用。但是，传统的人工抄表方式常常面临这样的困境：由于居民家里无人或者井盖被汽车挡住等原因，抄表工人往往要跑几趟才能获得用户仪表的准确数据。这样的抄表方式不但抄表工人效率低下，而且对水电煤企业来说人工成本也很高。因此，改进抄表方法，研发一套高效率、高可靠性、低成本的远程无线抄表系统对于克服传统的人工抄表模式的弊端，实现水、电、煤气管理的自动化具有重要意义。近年来，随着自动控制技术和计算机通信技术的进步，以红外、蓝牙、GPRS和ZigBee等技术为代表的无线抄表方式相继出现。完全基于 GPRS 技术抄表方案，其设计成本较高，不易推广；掌上机抄表方案，其只能实现半自动化，且不能实现远程通信；蓝牙技术方案，其功耗大、距离近，比较复杂，组网规模太小。鉴于以上各种抄表方式的存在的问题和无线抄表系统的发展趋势，本文设计提出了一种ZigBee 技术和蓝牙技术相结合的远程无线抄表终端系统，其特点是低功耗、低成本和近距离，并且通信可靠。
1 系统总体结构
本文设计的远程无线抄表终端系统由五大部分构成：手持终端模块、上位机模块、中继器模块、数据采集器模块，如图1所示。通过Stc15f2k单片机作为表数据的读取中心，通过程序将表上的数据读取出来，并且通过串口将单片机与ZigBee模块1相连接使得ZigBee 模块1和单片机能够进行通讯，数据透传，同时将 ZigBee模块1和ZigBee模块2进行自动组网，设置ZigBee模块1成为发送端，ZigBee模块2成为接收端，使得两端的数据可以互通，再将ZigBee模块2与蓝牙模块通过串口连接，使得数据可以透传，通过手机端的蓝牙调试助手和蓝牙模块相连，让手机上可以显示出相应的读数。实现手持式远程无线抄表系统得以实现。
图 1 系统总体架构图
2硬件设计
硬件的连接分为电位器到单片机系统，单片机到ZigBee模块1，ZigBee模块2到蓝牙模块这三个部分。
2.1 单片机
本系统的采集芯片选用STC15F2K60S2芯片，该芯片价格便宜，温度适应性好，且单片机本身带有ad的功能，不用再配ad芯片，因此只需要把它的ad功能脚引出，编写相关程序即可实现相应功能。单片机的ad采样是无线远程抄表系统的数据采集过程。ad采集的数据将从串口发送给 ZigBee模块1，从而进入数据传递系统。
2.2 ZigBee模块及蓝牙
ZigBee技术是广泛被应用于自动控制领域的一种基于短距离、低速率、低复杂度，低功耗以及低成本的双向的无线通信技术。此技术工作在2.4GHz ISM频段，可以达到100m左右的直线传输距离，通过外接功率放大器和低噪声放大器，分别提高相应的发射功率和接收灵敏度传输距离可高达几百甚至上千米。蓝牙技术是一种用来实现数据和话音之间的无线传输开放性的规范，蓝牙这种无线通信技术支持点到点、点到多点的短距离通信，而且成本低廉。蓝牙技术其数据通信优势相比其它协议较为明显，但由于其传输距离比较近的不足，因此单纯的蓝牙技术在远程控制方面应用不多。ZigBee网络理论上可以容纳65000多个节点，而蓝牙不超过8个，由于一般的无线传感网络需要节点较多，所以这一点ZigBee也相对具有较大优势。虽然蓝牙技术在数据传输速率上比ZigBee技术大得多，但ZigBee 250kbps的数据传输速率对于无线抄表系统来说已经足够，反观蓝牙功耗大，造价高成为制约其应用于无线抄表的主要障碍。
3 系统软件设计
主程序由单片机ad读取程序、ZigBee模块1的数据发送程序、ZigBee模块2的数据接收程序、手机端的数据接收程序组成。由于蓝牙模块为透传功能模块，所以不需要编程，手机端程序在各大应用市场可以下载，所以对这两个不做深入研究。主要研究单片机ad读取程序、 ZigBee模块1的数据发送程序、ZigBee模块2的数据接收程序这三个程序。由于表单元处理并不在此次设计的计划范围之内，所以设计可整体描述为：电位器模拟智能表单元， 单片机定时去读取电位器上的ad值并将数据转化成 0-9999之间的整数，通过串口传输给 ZigBee模块1，ZigBee模块1与ZigBee模块2之间通过P2P连接，将数据通过ZigBee网络传给ZigBee模块2，ZigBee模块2与蓝牙模块通过串口相连，同时蓝牙模块与手机蓝牙相连，数据到达手机上，通过蓝牙调试精灵显示。
4 安科瑞AcrelCloud-3200预付费水电云平台
4.1 系统方案
系统为B/S架构，主要包括前端管理网站和后台集抄服务，配合公司的预付费电表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用户计量箱ADF300L系列，实现电能计量和电费管理等功能。另外可以选配远传阀控水表组成水电一体预付费系统，达到先交费后用水的目的，剩余水量用完自动关阀。
4.2 系统功能
AcrelCloud-3200预付费水电云平台由云平台-网关-预付费电能表组成，通过通信网络完成系统到表的充值、查询、监控、控制及短信报警等功能。
本系统适用于一些大集团和大物业，往往需要将多个物业环境、分散于各地的物业集中式收费和管理，面临着数据公网传输，财务操作分散，在线支付，总部财务扎口等复杂的需求。
远程集中抄表：抄表信息通过网关实时上传到云平台，快速便捷，免去人工抄表 。
水表预付费:可是查看某区域水表的实时状态信息，并可以进行单表或批量设置水价控阀等操作。
远程售电:财务集中管理，电量实时下发，并比对充值次数，方便快捷。
能耗分析:用户和管理员都可查询预付费表或管控表每天的用能状况；可提供能耗分析+财务轨迹一体式综合管理报表，包含用户表的能耗、财务数据、能耗和财务的期初期末值等数据。
在线支付:商户可以通过小程序或者微信公众号实现在线自助充值水电费，也可以实时关注商铺用水用电情况。
短信提醒:金额不足或金额欠费提醒、电表充值到账提醒，都可及时短信通知商户。
远程控制:可对任意一块电表执行远程拉闸或保电等一系列远程控制操作，方便管理。
4.3 产品选型
5结束语
本文介绍了基于ZigBee技术的手持式远程无线抄表系统设计与实现方案。该系统有广阔的应用前景，对于克服传统的人工抄表模式的弊端，实现水、电、煤气管理的自动化具有重要的现实意义。
【参考文献】
【1】汤益芳.手持式远程无线抄表系统的设计
【2】王富斌.短距离无线通信技术在抄表系统中的应用［D］.济南:山东大学， 2009:89-113．
【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06
作者简介：王蒙蒙，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事宿舍安全用电研究发展。
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