王伟1，2 马永刚1，2 宋春麟1 任维浩1
（1.大连东软信息学院，辽宁 大连 116023；2.大连海洋大学，辽宁 大连116023)
【摘要】对于居民小区抄表终端分布较密、距离较近的情况，采用基于ZigBee的无线组网可妥善解决自动抄表问题。本设计是基于LabVIEW与ZigBee的无线抄表系统设计与实现，主要介绍了上位机软件设计，下位机硬件组成和工作原理。本设计具有节省时间、人力、物力，提高工作效率、降低物业成本，可及时地将用户水、电、气表数据抄送到物业等优点。
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关键词 LabVIEW；ZigBee；无线抄表
0 引言
基于ZigBee无线网络平台的自动抄表系统具有以下特点：1）无需布设通信线路，各设备之间实现无线自动组网连接，降低了系统的安装成本；2）由于系统没有控制线路，避免了恶意破坏，整个系统的各个模块具有集成度高、可靠性高、功耗低、成本低、体积小等优点；3）ZigBee具有自组织功能，使网络无需人工干涉，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系；4）整个网络使用的无线频率是国际通用的免费频段(2.4-2.48 GHz ISM)，传输方式采用的是抗干扰能力强的直接序列扩频方式，使网络具有卓越的物理性能。本文提出一种基于LabVIEW和ZigBee的无线抄表系统方案，完成硬件设计和软件设计。本设计克服了传统的人工抄表模式的弊端，给水、电、气管理的自动化带来了方便。
1 系统总体设计
本系统主要包括两部分：上位机和下位机。上位机是小区物业管理中心的PC机，主要完成发送命令给下位机及显示查询结果。下位机主要由数据采集器、路由器、协调器组成。采集器用于处理和采集用户多个电能表信息，并通过无线射频信道与协调器交换数据，采集器通过RS-485总线与电能表连接，向下与仪表进行通信，通过仪表总线将一栋单元楼所有住户的仪表数据进行集抄，这样就构成了ZigBee网络的一个节点，向上则是与路由中继器进行通信，将数据通过ZigBee网络上传至协调器。采集器节点通常被安置在居民楼顶可以减小环境对设备的干扰，各节点之间采用基于ZigBee协议的无线方式进行数据传输，最终将采集到的数据发送至上位机数据管理平台，系统总体设计框图如图1所示。
2 下位机硬件设计
硬件设计过程中，ZigBee射频模块核心微处理器选用TI公司推出的低功耗片上系统CC2530射频芯片，与第一代CC2430相比，CC2530功耗更低，最大通信距离为400m，多达256kB的闪存以支持更大的应用，其强大的地址识别和数据包处理引擎，能够很好地匹配RF前端，封装更小。
2.1 采集器与路由器硬件设计
采集器的任务是接收上位机的指令，根据指令的要求抄取底层连接的数字仪表的数据，通过无线网络将数据发送给上位机。路由器的主要功能有：扩展无线传感器网络的传输范围；转发集中器与采集器间的通信命令与数据信息。采集器与仪表通过RS-485标准串行接口连接。根据RS-485通信协议，仪表通过RS-485接口向采集器返回报文即仪表数据，采集器再将这些数据打包后通过无线网络传给集中器，集中器再将数据包上传给上位机。采集器与路由器硬件由核心处理器CC2530无线模块、RS-485接口电路、无线通信电路、电源电路等几部分组成。采集器与路由器硬件结构示意图如图2所示。
2.2 协调器硬件设计
协调器的硬件结构如图3所示，其主要功能有：负责启动、配置与协调整个ZigBee网络；下发集抄中心的命令与数据信息给ZigBee网络中的任一设备；接收ZigBee网络中任一设备返回的仪表数据、仪表状态与网络状态信息并上传到小区管理中心上位机。
3 下位机软件设计
3.1 采集器软件设计
采集器程序流程图如图4所示：采集器接收到协调器发送的命令（用户地址）后，与本模块负责管理的用户地址对比，若在本模块负责范围内，则采集器会发送相应用户数据信息给协调器。
3.2 协调器软件设计
协调器软件设计流程图如图5所示：首先协调器进行串口初始化，包括设置波特率、中断等，并以广播方式建立网络，之后对串口和无线监测，当串口或无线事件发生时进行处理，若是串口事件发生，则协调器通过串口接收到上位机命令并无线发送出去，若是无线网络事件发生，则协调器会进行处理：新节点加入网络还是接收无线数据。
4 上位机软件设计
上位机所用的串口通信程序采用LabVIEW编写，LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。本设计过程中，上位机程序主要实现对下位机的控制和对信息的读取与显示等功能。其中用到的函数有：①VISA串口中断；②VISA串口字节数；③VISA读取；④VISA关闭；⑤VISA配置串口。核心部分程序流程图如图6所示。
下面是采用LabVIEW实现的数据显示部分，本部分通过字符串截取控件筛选出需要显示的数据，通过控件显示，再通过字符串/数值转换控件将数据转化为数值，这样可以通过仪表、波形图等控件显示出来，更加直观而且便于观察。数据显示部分框图如图7所示。
5 模拟测试
为了测试抄表节点的实际运行效果，在实验室环境进行了模拟测试。模拟网络由1个协调器、1个路由器、2个抄表终端节点、3个数字量传感器模拟水、电、气信息量，并连接至有RS-485总线的系统板上，1台PC机通过RS-232通信接口与协调器相连。通过设置LabVIEW设计的上位机软件来查询1号楼，1单元，101室的用量信息，查询结果如图8所示。
在选择不同的单元、门牌号时，程序会通过串口发送不同的指令以获取不同的用户数据。此外上位机还可以导入用户头像，在选择时可以显示图片，更加直观，另外还添加了语音播报功能，可以播报查询信息和显示系统时间。
6 结语
上面的调试结果成功完成了整个系统的设计和实现，模拟实现了自动抄表过程，但还存在很多不足之处，例如传输距离只有几十米，通信距离比较短。在实际应用中，若要扩展通信范围，一方面在采集器端增加功率放大器，另一方面也可以在抄表两端之间再加中继器，这样才可以实现更远距离的抄表，另外目前水、煤气仪表仍然是机械表，没有RS-485接口，只有电表具有RS-485接口，何时能将机械表更换成电子表还有待于国家相关部门的改进。
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参考文献
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［责任编辑：汤静］