GPRS-ZigBee在暖气表无线远程管理系统的应用

 

　　致远电子推出了GPRS-ZigBee无线组网方案，如图 2所示。该方案采用ZigBee网络实现了小范围集群组网，再用GPRS-ZigBee网关实现远距离无线通信。

　　整个网络分为三层：层为监控中心，由可以上网的计算机构建，该计算机通过互联网与GPRS-ZigBee网关通信；中间层为GPRS-ZigBee网关，其作为中间桥梁，起着联通底层ZigBee网络和上层监控中心的作用；层为ZigBee网络，每个终端设备都是一个ZigBee节点，其接收GPRS-ZigBee网关转发的数据，也可以通过网关向监控中心发送数据。

　　通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service）的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps

　　2 ZigBee网络

　　ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

　　本文采用的ZigBee模块是美国CEL公司的ZICM2410模块（如图3所示）。该模块内置集成51核的单片机，具有丰富的硬件接口（GPIO、UART、定时器和音频接口等），采用简单易学的Python语言开发，支持用户二次开发。用户可以在该模块上实现简单的传输协议，以兼容用户端机的接口协议。

　　ZICM2410的特点在于其支持SNAP网络。SNAP网络协议是一款由Synapse公司开发的无线mesh网络协议，SNAP为复杂的ZigBee网络提供一个简单、可靠、智能的完整组网方案。SNAP使用的是对等网络，所有的节点都是路由节点，组网时，无"加入网络"过程，无中心节点，无需预先构架网络拓扑。所以ZICM2410功耗极低，通信冗余性能优异。

　　3 GPRS-ZigBee网关

　　网关（Gateway）又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。 网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI 7层协议的顶层--应用层。

　　网关采用广州致远电子有限公司推出的ZWG-68ZB,它是一款非常易于使用、稳定可靠，且能够适应长期不间断工作的工业级设备，产品外形如图 4所示。

　　在投入使用之前要先把监控中心的公网IP地址和端口号配置到网关中，这样网关在上电后就会主动连接上监控中心，并把监控中心下发的数据通过ZigBee转发给一线的终端设备，同时还会把终端设备通过ZigBee上传的数据转发到监控中心。

　　ZWG-68ZB默认是透明传输方式，但是设备中的ZigBee模块同样支持用户二次开发，用户可以将通信协议自行集成在设备中。

　　ZWG-68ZB采用西门子工业级的GPRS模块，具有以下特点：

　　（1）6 V~25 V宽压供电；

　　（2）支持数据中心动态域名或IP地址方式访问；

　　（3）支持备用数据中心；

　　（4）断线自动重连；

　　（5）支持短信配置与维护；

　　（6）支持本地和远程固件升级；

　　（7）具有连接时机可控功能，节约流量；

　　（8）支持本地和远程图形化界面配置与维护；

　　（9）支持永远在线、空闲下线和空闲掉电三种工作方式；

　　（10）多重软硬件可靠设计，复合式看门狗技术，使设备稳定运行。

　　4 监控中心服务器

　　监控中心服务器的功能是通过ZWG-68ZB网关设备与位于一线的端机设备进行双向通信。监控中心服务器必须是能够连接到互联网的计算机，可为其申请固定IP或者动态域名。

　　ZWG-68ZB网关设备上电后，会以TCP客户端的方式自动连接到监控中心服务器。如果连接不成功会继续重连，直到连接成功。

　　5 应用

　　住宅小区的暖气表通常在建筑物内每户一表，垂直安装，所以特别适合SNAP网络的自组网方式。而一个小区的楼宇之间相隔也不远，所以可以采用小区内部ZigBee组网，集中通过一台或多台（视小区规模而定）GPRS-ZigBee网关与热力公司的监控中心通信，从而实现远程抄表、网上缴费、远程监控的全自动化暖气表管理系统。整个系统如图5所示。

　　6 设备安装注意事项

　　（1）设备使用GPRS无线方式通信，因此应选择在不屏蔽手机信号的地点安装。

　　（2）ZigBee信号功率较小，对建筑物的穿透能力有限，所以端机安装时要考虑ZigBee信号覆盖的情况，如果无法覆盖可以安装无用户设备的ZigBee设备，作为中继器使用。

　　（3）不要在禁止使用射频设备的场合使用该设备，例如加油站和医院内部。

　　GPRS-ZigBee的组网应用，充分发挥了GPRS无通信距离限制和ZigBee成本低、无运营费用的优点。降低了系统建设成本、节省了通信费用、降低了端机功耗，所以GPRS-ZigBee作为新一代无线组网方案，适合于水电气表的远程抄表系统、城市环境监测、灯光远程监控、智能家居、矿山监测等领域。