时间:2015-08-10 09:42 文章来源:http://www.lunwenbuluo.com 作者:王伟等 点击次数:
【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。
【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。
图1 无线抄表系统基本组成
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。
图2 采集器与路由器结构示意图
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。
图3 协调器结构示意图
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。
图4 采集器程序流程图
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。
图5 协调器程序流程图
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。
图6 上位机程序流程图
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。
图7 数据显示部分设计
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。
图8 上位机查询界面
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。
【参考文献】
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