基于ZigBee网络和M-Bus总线的热量表远程抄表方案设计

季勇，仇国富

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

在供热服务行业中，通过计量热量收费明显比传统的按住宅面积收费的方式更加合理，但是，由于种种原因，前者一直没有得到有效普及，抄表问题是其中的一个重要问题。

自来水等行业中一直沿用的抄表员入户抄表的方式不仅效率低下，而且对于以前不需要抄表员的供热公司，使用这种方式额外增加了人力成本。随着通信技术的发展和物联网技术的日趋成熟，供暖计费领域必将选择自动抄表方式[1]。

在我国水、电、煤气、供暖等行业中，除供电行业在小范围内使用了远程抄表方式[2]外，包括供暖行业在内的其他行业并没有成熟的远程抄表方案，其中供暖行业要实现远程抄表面临以下问题：1) 采用纯无线通信的抄表系统由于通信能耗大，很难解决热量表供电的难题，而纯有线抄表在线路铺设和后期维护方面难度也很大；2) 由于居民已习惯按面积收费的供暖计费方式，如果采用以一个城市所有用户为对象的热量表抄表系统难以短时间内被如此大量的居民所接受[3]。

基于以上两点，本文设计一种针对小区的有线加无线的热量表抄表系统。

1 系统总体方案设计

系统分为有线抄表部分和无线抄表部分。在楼栋内采用抄表总线把用户的热量表连接到集中器上，集中器有稳定电源供电，同时总线为各住户中的热量表供电，这样就解决了热量表供电问题。

楼栋与抄表中心之间采用无线方式传递数据。楼栋之间是空间较大的露天环境，采用无线方式抄表可以省去布线的麻烦，并且让日后的系统维护变得简单。

本方案以小区为范围进行抄表，抄表中心设置在小区中，这种小范围的抄表系统更加容易获得推广。该方案以小区为单位获得广泛认可后，可以将抄表中心直接连接互联网，实现更长距离、更大范围的自动抄表系统。

1.1 有线部分方案

目前的有线通信方式中，CAN总线具有较高的通信速率(1 Mbps)、较远的通信距离(长达10 km)和较强的抗干扰能力[4]。CAN总线在通信时所有设备都可以工作于主机模式，而采用优先级的方式避免通信冲突，但抄表网络中所有热量表都处于同一优先级，所以CAN总线不适用于抄表系统。

RS485总线网络实现简单，接口便宜，支持仪表众多，在低端市场得到了广泛的应用。但是，RS485总线通讯设备容量小，理论上最多接入不超过128个设备；不能给下接设备供电，设备需要单独解决供电问题。RS485总线也不适用于抄表系统。

M-Bus(meter bus)总线又称为户用仪表总线，是一种用于非电力户用仪表传输的欧洲总线标准。所采用的主从结构的半双工通信，满足抄表要求的同时使通信变得更加简化；无极性的二线制设计使布线工艺大大简化，能够降低成本；可以在完成通信的同时为仪表供电，解决了热量表等家庭计量仪表的供电问题。这些优势使得M-Bus非常适用于抄表行业。所以，本文采用M-Bus总线作为抄表方案的有线部分。

1.2 无线部分方案

目前应用较多的无线抄表技术中，GSM是非常成熟的无线通信网络服务，利用短消息进行抄表数据的传送，优点是使用方便，技术成熟可靠，维护成本低。但是，对于本系统，一个小区内热量表数量众多，抄表数据量较大，长期使用需要向移动公司缴纳高额费用；系统的安装、运行和维护要受制于移动公司。

GPRS技术是基于分组交换的数据传输方式，优点是具有较高的传输速率，并且可以接入Internet。但是，GPRS设备价格较高，长期运行也存在受制于移动公司的问题。

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低数据速率、低成本的双向无线网络技术。ZigBee协议采用自组网的方式，由网络中的协调器建立一个网络，任何加入该网络的路由器都可以独立接收其他设备加入网络，组网过程非常方便快捷。ZigBee网络在传输数据的过程中采用自动路由的方式，ZigBee协议栈提供了完善高效的路由算法，通过多跳的方式传输数据，保证了数据传输的可靠性。另外，ZigBee协议工作在2.4 GHz免费频段，运营成本很低。虽然通信距离比较短，但是使用功率放大器后也可达到1 km以上，再加上以多跳的方式传输数据，完全达到了小区范围内的通信要求[5]。

通过以上对比可以看出，ZigBee与其他几种常用的无线通信技术相比，具有无运行费用，不受通信运营商限制的优点，更加适用于无线抄表。

系统总体方案如图1所示，系统通过小区内的管理中心发送抄表命令和获取抄表数据，管理中心上位机通过USB转串口与ZigBee主节点相连。ZigBee主节点负责建立一个ZigBee网络，位于各楼栋内集中器中的ZigBee分节点和安装在小区中的中继节点加入该网络[6]。集中器MCU负责M-Bus总线和ZigBee网络的通信。集中器MCU通过M-Bus转换电路连接到M-Bus总线，向挂在总线上的热量表发送控制命令和接受热量数据。各住户家中的热量表既通过M-Bus总线收发数据，又由M-Bus总线供电。

图1 系统总体方案

2 系统各部分硬件设计

2.1 从机硬件结构

从机的主控芯片采用MSP430F4152超低功耗单片机。主控芯片采用UART串口进行M-Bus总线上的数据收发。M-Bus从机电路实现单片机UART串口与M-Bus总线的信号调制，从机结构如图2所示。

图2 从机结构图

M-Bus从机到主机的通讯采用电流调制。用<1.5 mA的电流值表示逻辑“1”，用11～20 mA的电流值表示逻辑“0”。主机到从机的通讯采用电压调制。用+36 V表示逻辑“1”，用+24 V表示逻辑“0”。

M-Bus从机电路采用TSS721A芯片，该芯片是根据M-Bus通信标准设计的终端收发芯片[7]。该芯片既能将单片机输出信号转换为M-Bus总线电流信号，也能将M-Bus总线电压信号转换为单片机输入信号。

M-Bus从机电路如图3所示。TSS721A的RX和TX引脚分别连接单片机的输出引脚和输入引脚；BUSL1和BUSL2引脚连接M-Bus的2根无极性传输线。P沟道MOS管BSS84起热量表供电方式切换作用，M-Bus总线正常工作时TSS721A的VS引脚为高电平，MOS管导通，由VDD引脚向热量表供电；M-Bus总线断电时，VS引脚为低电平，MOS管截止，热量表由自带的电池供电。

图3 从机电路图

2.2 集中器结构

集中器由M-Bus转TTL电路、集中器MCU、ZigBee路由器和电源模块组成(图4)。M-Bus转TTL电路实现M-Bus电流电压信号与集中器MCU的TTL电平信号之间的转换。集中器MCU一方面通过ZigBee路由器连接到ZigBee网络，完成与管理中心的通信，另一方面通过M-Bus总线对各个热量表进行控制，完成数据传输。因为集中器的电源模块外接220V电源，ZigBee节点不必考虑低功耗问题，同时考虑到ZigBee路由器能够作为父节点添加其他节点并具有路由功能，能够使组网更容易实现，数据传输更为可靠,将集中器中的ZigBee节点类型设置为路由器。

图4 集中器结构图

2.3 管理中心结构

管理中心由ZigBee协调器和上位机组成。上位机与ZigBee协调器通过USB转串口进行通信。上位机的管理软件通过ZigBee协调器向ZigBee网络中的其他节点发送控制信号，并接收其他节点传回的抄表数据[8](图5)。

图5 管理中心结构图

3 系统工作流程

3.1 无线网络的组建

管理中心开始工作后，ZigBee协调器先选择一个能量最低的信道，建立ZigBee网络，然后持续向外发送包含该网络信息的信标[9]。各集中器上的ZigBee路由器在各个信道上搜索符合加入条件的网络。当搜索到协调器建立的网络后，路由器便向协调器发送消息申请加入网络，协调器收到该消息后进行判断，若路由器符合加入条件，协调器就允许路由器加入，并为路由器分配网络地址，协调器就成了该路由器的父节点[10]。

由于路由器也可以像协调器一样允许其他设备加入网络，其他集中器中的ZigBee路由器可以按照信号强度最强的原则，选择协调器或其他已经在网络中的路由器或协调器作为父节点加入网络。每个集中器通过这样的流程加入网络，ZigBee组网完成[11]。

3.2 抄表命令的发送与抄表数据的接收

抄表管理中心通过定时自动抄表和人工设置待抄表表号两种方式发送抄表命令。抄表命令经过协调器依次发送到ZigBee网络中的每个节点。一个集中器上下属的所有从机抄表结束后，管理中心再对下一个集中器发送抄表命令，进行抄表。一个集中器接收到抄表命令后，依次向下属的每一个热量表发送抄表命令，读取抄表数据。一个热量表的抄表数据读取完毕后，集中器将数据通过ZigBee路由器向管理中心发送。发送完成后再向下一个热量表发送抄表命令。最后一个抄表数据发送完毕后，集中器向抄表中心发送抄表完毕消息，抄表中心开始对下一个集中器下属的热量表进行抄表。

4 结语

本文针对自动化抄表的趋势，设计了一套应用于小区范围的热量表抄表方案。该方案采用有线加无线的通信方式，有线部分采用无极性二线制M-Bus总线，易于布线的同时解决了热量表长期供电的问题；无线部分采用ZigBee无线通信技术，该通信技术组网方便、可靠性高、成本较低，系统建立了可靠的通信网络，保证了抄表数据的可靠性，具有完善的故障报告机制，便于网络维护。本系统在小区范围内的应用获得广泛认可后，可以通过管理中心连接宽带网的方式，实现更大区域乃至整个城市范围的自动抄表网络。

参考文献:

[1] 丁志华. 智能化小区电网远程自动抄表系统设计[J]. 江苏大学学报,2003,24(2):66-69.

[2] 宋亚莉，任芳. 针对远程抄表技术的综合讨论[J]. 科技创新与应用，2016(24):206.

[3] 毛六平，唐艳. 智能热量表及其远程抄表系统[J]. 自动化仪表，2002,23(8):26-27.

[4] 陈海成. 一种基于CAN总线和ZigBee技术的测控系统设计[J]. 微型机与应用,2010,29(1):47-50.

[5] 李文仲，段朝玉. ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,2009.

[6] 刘慧芳，陈白宁，龚民. 居民小区自动抄表系统中主站管理软件的设计[J]. 机械工程师,2007(8):46-48.

[7] 陶永明，刘立国，陈永刚. M-Bus终端收发芯片TSS721A的原理及应用[J]. 电子设计工程，2002(9):31-33.

[8] 侯启真，史乘鑫，刘衍凡. 基于 RSSI 的 ZigBee 定位技术研究[J]. 计算机应用与软件，2016,33(4):134-137.

[9] 何丽莉，孙冰怡，姜宇. 基于 ZigBee 的无线传感器网络管理系统架构设计[J]. 吉林大学学报,2012,50(4):757-761.

[10] 徐鹏豪,冯玉光，奚文骏. 基于ZigBee无线网络的可控组网方法研究[J]. 电子设计工程,2014,22(13):129-135.

[11] 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.