基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對居民小區(qū)抄表系統(tǒng)的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)將有線通信與無線通信、ZigBee短距離通信與GPRS／CDMA／3G遠(yuǎn)距離通信有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了居民小區(qū)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表。給出了組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，闡述了抄表管理中心的軟件結(jié)構(gòu)框圖和主要功能。與傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案相比，該方案的通信設(shè)計(jì)有明顯的優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；自動(dòng)抄表；通信組網(wǎng)；居民小區(qū)

0 引言
    供水、供電、供氣等系統(tǒng)的用戶表數(shù)據(jù)自動(dòng)抄送具有十分重要的意義，不僅便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和管理，而且極大地提高了工作效率，同時(shí)也改善了居民的生活質(zhì)量。自動(dòng)抄表(Automatic Meter Reading，AMR)系統(tǒng)，是指利用微電子、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及傳感等技術(shù)自動(dòng)讀取和處理儀表數(shù)據(jù)，將城市居民的用水、用電、用氣等信息加以綜合處理的自動(dòng)化系統(tǒng)。目前的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，可分為有線方式和無線方式兩類。由于無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多面向抄表系統(tǒng)的無線解決方案，如無線數(shù)傳電臺(tái)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及GPRS／CDMA／3G無線公網(wǎng)或者多種方式結(jié)合等。有線方式，如RS 485總線，技術(shù)簡單、成熟，易于實(shí)現(xiàn)，但施工布線工作量大，網(wǎng)線易受人為破壞。無線抄表系統(tǒng)在系
統(tǒng)安裝的方便、快捷方面具有更大優(yōu)勢。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式發(fā)送，并以自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到管理終端。

2 居民小區(qū)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)由位于監(jiān)測管理中心的主站(包括前置機(jī)、多個(gè)工作站和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器)和數(shù)據(jù)采集器及ZigBee節(jié)點(diǎn)、ZigBee中心節(jié)點(diǎn)及GPRS／CDMA ／3G轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)、用戶表等部分組成。
2．2 居民小區(qū)組網(wǎng)
    居民小區(qū)抄表分為新建小區(qū)和舊城小區(qū)。新建小區(qū)根據(jù)建設(shè)部提出的小康型住宅小區(qū)規(guī)劃要求，新建和改建的住宅統(tǒng)一規(guī)劃，實(shí)行水、電、氣三表出戶統(tǒng)一管理表具，用戶表比較集中。舊城小區(qū)用戶表比較分散。采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)水、電、氣三表的無線抄表是一個(gè)非常理想的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)，綜合考慮自動(dòng)抄表系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)成本及樓宇小區(qū)的實(shí)際情況，提出有線與無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的綜合通信組網(wǎng)方式。
    居民樓層內(nèi)采用RS 485有線連接、居民樓層間ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、居民小區(qū)無線公網(wǎng)的綜合通信方式，為水電氣三表的無線自動(dòng)抄表提供了切實(shí)可行的解決方案。每樓層內(nèi)的用戶表數(shù)據(jù)通過RS 485總線傳輸?shù)揭粋€(gè)數(shù)據(jù)采集器，該采集器通過小區(qū)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫^(qū)的數(shù)據(jù)采集中心，小區(qū)數(shù)據(jù)采集中心通過GPRS／CDMA／3G無線公網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到水、電、氣公用事業(yè)公司的抄表管理中心。
    小區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)示意如圖1所示。特點(diǎn)如下：

    (1)采用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?br />     (2)一個(gè)小區(qū)設(shè)置一個(gè)ZigBee中心節(jié)點(diǎn)；
    (3)每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)最多采集10個(gè)用戶的三表數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee中心節(jié)點(diǎn)；
    (4)ZigBee中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過GPRS／CDMA／3G上傳到抄表管理中心。
    單元樓層內(nèi)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。特點(diǎn)如下：

    (1)每樓層的水、電、氣三表通過RS 485總線連接到數(shù)據(jù)采集器及ZigBee節(jié)點(diǎn)；
    (2)每樓層設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)ZigBee遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收發(fā)或作路由器，每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)最多接入10個(gè)用戶的三表數(shù)據(jù)；
    (3)ZigBee節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳到ZigBee中心節(jié)點(diǎn)。

3 抄表系統(tǒng)管理中心組成及主要功能
    抄表系統(tǒng)管理中心由管理中心計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、打印機(jī)等組成。管理中心計(jì)算機(jī)是整個(gè)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的核心，其上安裝有Windows XP操作系統(tǒng)和遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)軟件，并同時(shí)連接數(shù)據(jù)通信設(shè)備和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。管理中心計(jì)算機(jī)提供了一個(gè)用作系統(tǒng)操控、管理的友好用戶界面，自動(dòng)地檢索抄表數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以供處理及查詢。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)軟件由組態(tài)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、收費(fèi)子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)分別由若干個(gè)獨(dú)立的模塊組成，便于以后系統(tǒng)的繼承和擴(kuò)展。
    遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)組成框圖如圖3所示。

    后臺(tái)數(shù)據(jù)庫選用SQL Server 2005，前臺(tái)通信程序選用VC，用戶界面及后臺(tái)數(shù)據(jù)處理程序使用Delphi 6。SOL Server 2005是一種典型的具有C／S體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，使用Transact-SQL語句在客戶機(jī)和服務(wù)器之間傳遞請求和回應(yīng)，具有易用性、可伸縮性、可建立數(shù)據(jù)倉庫、集成性、良好的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足抄表管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。Delphi具有可視化、面向?qū)ο蟮奶匦?，具有?qiáng)大的組件技術(shù)支持，特別適合在Windows環(huán)境下進(jìn)行圖形界面和用戶程序的編制。
    系統(tǒng)主要功能如下：
    (1)該軟件兼容多種通信方式，如有線，無線(專網(wǎng)、GSM短信、GPRS／CDMA／3G)等；
    (2)實(shí)時(shí)抄表功能，系統(tǒng)可抄取各戶表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；
    (3)可遠(yuǎn)程設(shè)置抄表終端的工作參數(shù)，如地址等；
    (4)系統(tǒng)組態(tài)功能，任意增加、刪除某一用戶的信息；
    (5)采用模塊化設(shè)計(jì)，支持不同客戶的要求，如特殊格式報(bào)表，權(quán)限控制等；
    (6)可與用戶其他系統(tǒng)連接，提供開放的數(shù)據(jù)接口；
    (7)查詢功能，以數(shù)據(jù)庫為核心，提供數(shù)據(jù)處理、查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表、備份等功能?？呻S時(shí)查詢?nèi)我粦?、任一單元全部住戶及整個(gè)小區(qū)內(nèi)所有用戶的耗能信息，用戶可以用短信查詢相關(guān)信息；
    (8)故障報(bào)警與異常記錄；
    (9)抄表異常分析功能；
    (10)可管理和控制每戶的用量，管理用戶的結(jié)算方式，打印各種用戶費(fèi)用清單。

4 結(jié)語
    綜合考慮自動(dòng)抄表系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)成本及居民小區(qū)的實(shí)際情況，提出了有線通信與無線通信相結(jié)合的綜合通信方式，實(shí)現(xiàn)了ZigBee短距離傳輸與GPRS／CDMA／3G遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢互補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)了居民小區(qū)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表。