基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，是一組基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)。它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星狀網(wǎng)、集群樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓?fù)?。網(wǎng)狀網(wǎng)是一種高可靠性的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)狀網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 WSN網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本文研究的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集中抄表系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)用戶采集器與集中器間的數(shù)據(jù)通信，通過CDMA/GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)集中器與抄表中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。

ZigBee技術(shù)
ZigBee是一種無線連接技術(shù)的商業(yè)化命名，該無線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。 國際上，IEEE 802.15.4工作組及ZigBee聯(lián)盟共同致力于該無線連接技術(shù)的推廣工作，其中，IEEE 802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定ZigBee物理層及MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，以便于今后不同廠商設(shè)備的互連互通； ZigBee聯(lián)盟則負(fù)責(zé)高層應(yīng)用及市場推廣工作。而于2002年成立的ZigBee聯(lián)盟如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司的加入。目前，F(xiàn)reescale、TI等國際巨頭都已推出了比較成熟的ZigBee開發(fā)平臺。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星狀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
GPRS網(wǎng)絡(luò)是覆蓋范圍廣，性能較為完善的無線網(wǎng)絡(luò)，GPRS通信網(wǎng)本身具有較強的數(shù)據(jù)糾錯能力，數(shù)據(jù)傳輸率較高可達(dá)128Kb/s能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。用ZigBee技術(shù)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低；采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K體積小、功耗低，適合作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)節(jié)點，ZigBee技術(shù)、GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與傳感器技術(shù)相結(jié)合組成新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

WSN網(wǎng)絡(luò)集中抄表系統(tǒng)整體采用分布式體系結(jié)構(gòu)，用電管理中心與集中器之間(上層)數(shù)據(jù)的采集采用星狀結(jié)構(gòu)；集中器與采集器之間(下層)數(shù)據(jù)的采集采用網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)。無線抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

上層通信以電力局中心的系統(tǒng)主站為中心，通過GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)與分散于各物業(yè)小區(qū)的集中器連接，形成1對N的連接形式，實現(xiàn)集中器和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實時在線連接；下層通信包括集中器對電表參數(shù)的采集、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)，以及轉(zhuǎn)發(fā)上位機下達(dá)的指令和對電表進行控制操作等。出于成本與通信可靠性的考慮，設(shè)計了采集器。每棟居民樓設(shè)置一個采集器，電表通過RS-485總線與采集器進行通信，采集器通過WSN終端節(jié)點與小區(qū)中心的WSN中心節(jié)點及集中器進行通信。示意圖如圖3所示。

圖3 無線抄表系統(tǒng)總體示意圖

采用低成本的WSN組網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)組建了一個無線傳輸信道，縮短了單段的傳輸距離，削弱了信道衰減與干擾的影響，提高了信道傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

該無線抄表系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

● 電表抄錄數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確，系統(tǒng)的傳輸容量大。

● 可對電表設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制、參數(shù)調(diào)整、開關(guān)等控制操作。

● 安裝、維護方便，不需要進行專門布線。

● 集中抄表范圍廣，GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，WSN技術(shù)使擴容無限制。

系統(tǒng)主要功能
系統(tǒng)通過電能表的RS-485總線數(shù)據(jù)接口或脈沖信號方式傳輸給采集器。采集器巡檢各電能表RS-485總線數(shù)據(jù)或接收到多路脈沖信號后進行處理或計數(shù)，并將結(jié)果存儲。

采集器與集中器的通信采用無線WSN模塊，采集器平時處于接收狀態(tài)，當(dāng)接收到集中器的操作指令時，按照指令內(nèi)容操作，將本采集器有關(guān)數(shù)據(jù)通過無線WSN模塊送至集中器。

集中器可以定時或?qū)崟r的對下轄的采集器進行數(shù)據(jù)抄收，并進行存儲。當(dāng)上級設(shè)備—管理中心計算機調(diào)用數(shù)據(jù)時，則將所存儲的數(shù)據(jù)打包送上。管理中心計算機可以對集中器，并通過集中器對采集終端進行各種操作。

主要模塊功能
(1) 用戶管理軟件

管理軟件對整個系統(tǒng)進行管理，通過轄下的集中器可以隨時調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)任一表計的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理。同時可以對系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備發(fā)出各種指令。其主要功能如下。

● 讀取和設(shè)置各種計量數(shù)據(jù)、管理參數(shù)。

● 費用的統(tǒng)計、查詢、備份、報表、收費單生成。

● 電能表管理：設(shè)置電能表原始參數(shù)、地址、費率及其狀態(tài)。

● 費率管理：可任意設(shè)定多種費率。

● 小區(qū)管理：對各小區(qū)設(shè)置通信參數(shù)。

● 用戶管理：管理和控制每個單位的用量、時間等；管理用戶的結(jié)算方式等。

● 系統(tǒng)管理功能：管理操作人員及其權(quán)限；各種系統(tǒng)安裝數(shù)據(jù)，各種通信設(shè)置。

● 定時抄表功能：對系統(tǒng)所有表計進行定時抄表，每天最少抄一次，抄表次數(shù)可設(shè)定并保留末次抄表數(shù)據(jù)。

● 實時抄表功能：實時抄取任一表記當(dāng)前數(shù)據(jù)及狀態(tài)。

● 自動校時功能：定時抄表時自動較正系統(tǒng)內(nèi)裝置的時間。

● 斷電功能：用戶違章時或欠費可切斷電、水、氣。

● 斷線檢測功能：信號線接觸不良或斷線時，系統(tǒng)自動顯示。

● 防竊功能：對系統(tǒng)內(nèi)違章行為進行監(jiān)督。

● 超載報警功能：用戶用量超過計量表最大值的1.2倍時報警。

● 掉電數(shù)據(jù)保留功能：系統(tǒng)或某設(shè)備斷電時，數(shù)據(jù)長期保留。

● 短路檢測功能：信號線短路時，系統(tǒng)自動顯示。

● 心跳監(jiān)測功能：對每個采集器、集中器、無線傳輸模塊的心跳數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。

● 短信報警功能：當(dāng)出現(xiàn)心跳數(shù)據(jù)異?；蚱渌麍缶畔r，將根據(jù)設(shè)置要求發(fā)短信至相關(guān)人員。

 (2) 數(shù)據(jù)采集模塊
采集模塊可采集8個表計的電脈沖信號、采集模塊可輪巡采集16個數(shù)字式電能表并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和存儲。它的作用是對用戶的表進行數(shù)據(jù)采集處理，接收來自集中器發(fā)來的各種操作命令，向集中器回送表計數(shù)據(jù)。對聲違章、欠費用戶實施警告和控制。

 (3) 集中器（TDR-05JJ）
集中器是整個系統(tǒng)的橋梁，用于終端管理、數(shù)據(jù)緩存。集中器一方面接收來自管理中心計算機的各種操作命令并下傳采集終端；另一方面，將采集終端的各種信息回傳管理中心計算機，同時還存儲所轄表記的數(shù)據(jù)和有關(guān)參數(shù)，并具有定時抄收采集終端（智能表）數(shù)據(jù)，實時臨視采集終端（智能表）的工作狀態(tài)等功能。

(4) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊包括終端模塊、路由器模塊和數(shù)據(jù)集中器模塊。終端模塊是通過RS-485總線將采集器的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，路由器模塊是起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)作用，數(shù)據(jù)集中器模塊是將所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集中，并通過GPRS/CDMA網(wǎng)，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)控主機。其核心芯片使用CC2430單片機。

圖4 ZigBee核心模塊設(shè)計

 (5) CDMA/GPRS無線傳輸模塊
CDMA/GPRS無線傳輸模塊主要用于小區(qū)集中器或與供電公司管理計算機之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

CDMA/GPRS無線傳輸模塊就近與集中器RS-232端口或小區(qū)中心管理計算機的串口直接相接，通過CDMA/GPRS網(wǎng)絡(luò)與供電局鏈接于互聯(lián)網(wǎng)的中心管理計算機進行數(shù)據(jù)交互。

總結(jié)
智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)節(jié)省時間、人力、物力、提高工作效率，降低物業(yè)成本，準(zhǔn)確及時地將住戶所使用的電表數(shù)據(jù)顯示出來，為實現(xiàn)小區(qū)科學(xué)、系統(tǒng)的物業(yè)管理提供了有效的解決方法。智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的核心是提供了一個控制信號采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_，可遠(yuǎn)程對電表進行參數(shù)設(shè)置、實時監(jiān)控和故障判斷。該系統(tǒng)可用于對水表、氣表等其他儀表的遠(yuǎn)程監(jiān)控。