摘 要： 设计并实现了一种基于ZigBee和Internet的远程抄表系统。感知层利用智能传感器技术，实现对电压、电流、频率、功率、电能等用电信息的采集。传输层采用ZigBee短距离通信技术实现对节点信息的汇聚，并利用嵌入式以太网模块实现ZigBee网络数据到Internet数据的转换，通过广域网路由器接入Internet。应用层通过信息管理系统实现远程抄表与信息管理。测试表明，该系统达到了预期的效果。
关键词： 物联网；远程抄表；ZigBee；Internet；嵌入式以太网
0 引言
尽管物联网还是一个发展的概念，然而把实物纳入网络中，应该是信息化发展的一个大趋势[1]。传统的抄表方式已不能满足物联网的发展需求，因此远程无线抄表是物联网发展的一个重要应用方向。国内当前实现无线抄表系统的技术主要有GPRS、GSM、电力载波、RS485、蓝牙等[2]，但是均存在成本高、抗干扰能力差、网络规模小、功耗大等缺点[3]。ZigBee是一种基于IEEE802.15.4协议的无线通信技术，具有功耗低、组网方便、网络可靠性高、网络容量大、成本低等优点，因此在智能家居和通信速率要求不高的工业控制领域有着不可替代的优势[4]。
结合物联网进入千家万户的契机，本文设计了基于ZigBee和Internet的远程抄表系统，实现了真正意义上任何人任何地点任何时间抄表。远程抄表系统框图如图1所示。ZigBee无线网络节点采集、处理和转发用户用电信息，ZigBee协调器负责收集、整理各节点信息，远程智能控制各节点的继电器以实现对用户用电入口的控制。ZigBee路由器协助协调器和节点之间的通信，以满足远距离传输要求。智能网关部分实现ZigBee网络数据与Internet数据的转换。嵌入式网页域名解析服务开通后，只要嵌入式设备连接在网络中，拥有权限的管理员便可以通过信息管理系统，通过域名访问和管理内嵌网页，从而实现远程抄表与远程控制。
1 系统总体结构
本系统由ZigBee网络、智能网关、信息管理三部分组成。ZigBee网络由终端节点、路由器、协调器三部分组成，主要实现对家庭用电信息的采集、整理和汇聚，以及与智能网关的通信。智能网关由嵌入式以太网模块加广域网路由器组成，负责ZigBee网络数据的接收，ZigBee网络数据与Internet数据的交换，以及解析网页远程控制指令。信息管理部分由内嵌网页的设计、域名服务的申请以及信息管理系统三部分组成，主要实现用户对家庭用电信息的远程监控以及管理员对用户数据的远程管理。
2 系统设计
2.1 ZigBee网络
2.1.1 终端节点
终端节点主要由CC2530最小模块、电源模块、电量计量芯片RN8209G和数字温度计DS18B20组成，如图2所示。
CC2530最小模块包含RF天线模块和系统所需晶振等最少硬件，21个引脚全部引出，故使用时很方便，只需设计简单的外围电路即可。
电源模块由开关电源和电池组组成，双电源的设计是源于无线抄表系统的特殊性，它本身是为了采集市电信息，因此大部分时间直接利用开关电源供电即可，只有出现了异常情况（如电网断电），为了维护网络保护数据，才启用备用电源供电，这样可以减少电池的使用，从而节省成本。
RN8209G是国产的一款单相防窃电专用电量计量IC，可靠性高、精度高、开发难度小且成本低廉，适于推广。它含一个电压通道、一个零线电流通道和一个火线电流通道。经过专业设备的校表后，通过电压传感器和电流互感器，就可以准确测量电压、电流、频率、功率、电能等信息。转化后的数据存储在相应寄存器中[5]，MCU CC2530模块通过串口SPI或者UART与其通信，读取相应寄存器的值即可。
DS18B20主要实现对节点温度的监测，协助协调器对节点运行状况的判断。当节点电流过大或者节点所处环境温度过高时，协调器会通过ZigBee网络切断相应节点的用电，打开报警器，达到自动保护电网的作用。
2.1.2 路由器
路由器基于CC2530设计，并通过CC2591射频放大集成电路对射频信号进行放大，增加了信号有效传输距离，提高了信号强度，从而保证数据传输的可靠性和网络的稳定性[6]。对于光纤未覆盖的偏远地区，可以加多级路由器，以实现远距离传输。CC2530和CC2591通过3根控制线和3根数据线相连。
2.1.3 协调器
协调器主要由CC2530最小模块、电源、时间芯片DS1302、温度计DS18B20、12864显示屏和按键组成，如图3所示。
CC2530最小模块、电源、温度计DS18B20功能与节点中的相同，故不再重复。时间芯片DS1302显示系统工作时间，协助协调器对节点的控制与管理。协调器负责ZigBee网络的建立、节点信息的收集与处理，转发ZigBee网络的数据。
2.2 智能网关
智能网关由嵌入式以太网模块ZLSB2030和广域网路由器组成，如图4所示。
嵌入式以太网模块ZLSB2030功能丰富，支持包括100个TCP连接、DNS、DHCP、串口类AT控制命令等；ZLSB2030开发十分简单，用户只需当作串口收发即可。ZLSB2030内部集成ZLAN_DDNS协议，当用户需要访问某个模块时，首先需要获得模块当前的外网IP地址，此时，用户只要将这个模块的唯一编号作为前缀来访问域名即可直接访问此模块[7]。
ZLSB2030通过串口与ZigBee网络协调器相连，通过交叉网线与广域网路由器相连，广域网路由器与外网相连，便可以实现ZigBee网络数据与Internet数据的交换。
2.3 信息管理
信息管理部分由内嵌网页的设计、域名服务的申请以及信息管理系统三部分组成。
2.3.1 内嵌网页的设计
嵌入式网页由两级界面构成，分为登录界面和系统显示界面，如图5所示，用HTML语言和Java Script脚本语言开发。设置系统账户名和登录密码以确保数据的安全性。
ZLSN2030动态显示网页有txt_control和串口读写网页两种方案可选，两种方案比较如表1所示[8]。
若节点数超过32，选择串口读写网页方案较为实用，不过需要尽量减少数据修改次数，以延长该模块的生命周期；若节点数低于32，优先选择txt_control方案。
通信时，ZigBee协调器发送固定格式的指令加采集的数据，便可以实现内嵌网页的修改以及远程控制。例如指令（十六进制）格式为：ed f2 a3 56 ca db 91 84 b0 d7 0c 10 74 78 74 5f 63 74 72 00。其中ed f2 a3 56 ca db 91 84 b0 d7 是标志字符，0c是txt_control 的命令代码，10是十六进制表示，74 78 74 5f 63 74 72 00是指要替换的字符串，此指令表示要设置<TX16>的替换字符串。此时打开含有TX16控件的网页，刷新一下即可看到内嵌网页对应控件处出现了修改后的信息。
2.3.2 DDNS服务申请
利用ADSL上网的用户，IP一般是基于DHCP协议分派的，因此用户不同时间段获得的IP是不同的[8]。为了使远程抄表不需知道用户的外网IP也能访问内嵌网页，需申请DDNS。目前国内较为著名的DDNS服务提供商有花生壳、ZoneEdit等，它们均有相应免费DDNS服务，对于远程抄表这样一个数据流量不是很大的系统来说，利用它们的免费服务就足够了。用户只需把嵌入式设备连在广域网路由器即可。DDNS服务开通后，用户可以通过访问内嵌网页来了解家庭用电情况。
2.3.3 信息管理系统
信息管理系统结合Java和SQL开发，系统运行稳定，操作简单，功能丰富。信息管理系统框图如图6所示。
把所有用户的内嵌网页数据进行整合，本质是对用户内嵌服务器数据的收集与整理，形成一个用户用电信息数据库，实现远程抄表与信息管理。通过对各用户用电数据的跟踪、处理与分析，实现智能监控，可以有效防止用户偷电漏电等异常用电情况和违规用电行为。
3 结论
本文紧紧围绕物联网发展趋势，紧密结合智能家居和智能用电的新概念，提出基于ZigBee和Internet技术的远程无线抄表系统，该系统具有开发周期短、成本低廉、组网方便、网络稳定、数据误码率低等优点，具有很高的实用价值和应用前景。经过实际的测试，系统运行状态基本达到预期效果。在本系统的基础上，若添加远程刷卡、网络缴费等功能，会带来更大的便捷，这也是今后的研究方向。
参考文献
[1] 陈天超.物联网技术基本构架综述[J].林区教学，2013（3）：64-65.
[2] 潘家根.无线传感器网络通信机制与节能的研究[D].成都：电子科技大学，2007.
[3] 冯军，宁志刚，阳璞琼.基于ZigBee的无线抄表系统设计[J].电力自动化设备，2010（8）：108-111.
[4] 高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.
[5] 深圳锐能微科技有限公司.RN8209G用户手册（Rev 2.0）[Z].2012-06-13.
[6] 唐慧敏，李超，虞敏.无限网络化抄表与节能控制系统设计[J].测控在线，2012，32（1）：45-47.
[7] 上海市卓岚信息科技有限公司.基于嵌入式Web网页控制的远程监控监控模块[EB/OL].[2011-03-29].http：//www.zlmcu.com/document/embedded_web_controller.html.
[8] 谢希仁.计算机网络（第五版）[M].北京：电子工业出版社，2008.