Zigbee技術在電力無線抄表系統(tǒng)中的應用
[導讀]Zigbee技術在電力無線抄表系統(tǒng)中的應用
0 引言
居民用電的計量收費，最常用的傳統(tǒng)方式是傳統(tǒng)的入戶抄表收費。但傳統(tǒng)的抄表方式不但費時費力，準確性和及時性得不到可靠的保證。而且存在入戶麻煩這樣的弊端，已不適應現(xiàn)代物業(yè)管理的需要。無線抄表系統(tǒng)具有省時、少人、少力，能提高工作效率、降低物業(yè)成本，并可及時準確地將用戶電表數(shù)據(jù)抄送上來，因而是抄表計費發(fā)展的趨勢。而在眾多無線技術中，Zigbee技術有著獨特的優(yōu)勢，其低速率，低能耗，傳輸可靠，組網(wǎng)靈活等特點正日益成為樓宇智能化中的熱門技術。
1 Zigbee技術
事實上，短距離通信具有多種技術方式。表1所列是幾種短距離無線通信技術的比較。在表1所列的幾種技術中，基于IEEE 802.15.4協(xié)議的ZigBee技術起源于本世紀初的一種具有代表性的短距離無線通信技術標準，其PHY層與MAC層協(xié)議由IEEE802.15.4工作小組制定，網(wǎng)絡層由ZigBee技術聯(lián)盟制定，應用層的開發(fā)應用則可根據(jù)用戶自己的應用需要來進行開發(fā)，因此，該技術能夠為用戶提供更加靈活機動的組網(wǎng)方式。
2無線抄表系統(tǒng)描述
本系統(tǒng)中的硬件模塊采用Helicomm公司的IP-Link 1221-2033模塊與MSP430以及按鍵和液晶顯示器件組成。用戶端則由一個電表和一個數(shù)傳模塊組成。經(jīng)過改裝，當表讀數(shù)增加時，ZigBee模塊計數(shù)相應增加，當達到預先設定的發(fā)送時間后(該時間可以設定)，系統(tǒng)即可向數(shù)據(jù)集中節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。
而在管理中心端，數(shù)據(jù)集中節(jié)點的ZigBee模塊具有數(shù)據(jù)融合處理的功能，它可以將采集的數(shù)據(jù)自動記錄到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并根據(jù)抄表人員的操作指令顯示數(shù)據(jù)。
3方案特點
本系統(tǒng)標準基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能，它可支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡類型，即星型結(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)絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。
mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)具有強大的功能，該網(wǎng)絡的所有實體只要在通信范圍之內(nèi)，都可以互相通信，如果沒有直接通路，還可以通過“多級跳”的方式來通信，此外，該拓撲結(jié)構(gòu)還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡；除此之外，網(wǎng)絡還具備自組織和自愈功能。
本系統(tǒng)的設備十分省電。系統(tǒng)采用多種節(jié)電工作模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間，還可以確保通信的可靠。由于本系統(tǒng)采用了CSMA-CA的碰撞避免機制，同時還為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，因而避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層則采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，此外，該系統(tǒng)網(wǎng)絡的自組織和自愈能力也很強。
本系統(tǒng)的自組織功能無需人工干預，網(wǎng)絡節(jié)點就能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關系，以組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡；而Zigbee的自愈功能則可完成增加或者刪除一個節(jié)點，或在節(jié)點位置發(fā)生變動時處理。節(jié)點發(fā)生的故障等，以使網(wǎng)絡能夠自我修復，并對網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)進行相應地調(diào)整，而無需人工干預，從而保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作?？梢哉f，具備自組織、自愈能力的無線通信網(wǎng)絡才是自動抄表系統(tǒng)最理想的通信方式。
[!--empirenews.page--]本系統(tǒng)設備的復雜程度低，且Zigbee協(xié)議是免專利費的，因而可以有效地降低設備成本，同時ZigBee的工作頻段靈活，采用的是免執(zhí)照頻段的2.4 GHz，也就是沒有使用費的無線通信。
本系統(tǒng)的網(wǎng)絡容量較大。一個ZigBee網(wǎng)絡可以容納多達245個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在20多個ZigBee網(wǎng)絡。
此外就是數(shù)據(jù)安全。ZigBee提供有數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時，各個應用也可以靈活確定其安全屬性。
對于每個抄表終端而言。往往要求超低功耗和低成本(包括設備成本、運行成本)，而且數(shù)據(jù)的傳輸速率不高，對于居民小區(qū)的抄表，抄表終端通常分布較密集、距離較近，此時ZigBee技術可以很好地滿足這些要求；終端采集的數(shù)據(jù)需要送到電力公司的集中抄表管理中心，這可以通過GPRS／CDMA網(wǎng)絡來實現(xiàn)，而且無距離限制，又無需網(wǎng)絡規(guī)劃、幾乎不需要維護。另外，其所構(gòu)建的ZigBee網(wǎng)絡既可以是星形拓撲，也可以是網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲，但是，不論是哪種拓撲結(jié)構(gòu)的Zig-Bee網(wǎng)絡，均可根據(jù)實際的組網(wǎng)需要設計合理的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
4系統(tǒng)設計
無線抄表終端通常由無線部分、顯示部分、CPU部分、按鍵部分等組成。無線部分主要基于CC2420芯片組成的Zigbee無線通信模塊，這一部分是無線抄表系統(tǒng)的核心。在無線模塊內(nèi)部，CPU可通過SPI口與CC2420通信并控制其狀態(tài)。顯示部分是基于LCD的全數(shù)字顯示系統(tǒng)，能夠在現(xiàn)場顯示抄表系統(tǒng)檢測到的流量值。按鍵部分則可通過對系統(tǒng)的控制來切換不同時間的流量值。本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本ZigBee技術在IEEE802.15.4協(xié)議基礎上，還增加了邏輯網(wǎng)絡、安全性和應用程序接口(API)標準，同時提供有靜態(tài)和動態(tài)星形、集群樹和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)大區(qū)域網(wǎng)絡覆蓋和擴展，并可避免單點故障。此外，通過選用合適的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，也可以減少網(wǎng)絡的冗余度，降低系統(tǒng)的復雜度，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
5射頻芯片的選擇
無線射頻模塊的開發(fā)可采用Helicomm公司的無線收發(fā)模塊IP-Linkl221-2033。IP-Link1221-2033是Helicomm公司推出的一款符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4 GHz射頻模塊，其射頻芯片為CC2420，可被用來開發(fā)工業(yè)無線傳感及家庭組網(wǎng)等PAN網(wǎng)絡的ZigBee設備和產(chǎn)品。該器件包括眾多額外功能，是一款十分適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術，以CBIOS工藝制成，只需極少外部元器件，而且性能穩(wěn)定，功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備所支持的數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbos，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。
在二進制模式下，IP-Link 1221-2033模塊可支持四種幀類型，包括命令請求、命令響應、數(shù)據(jù)請求和確認幀。其中命令請求幀是用來查詢和配置命令網(wǎng)絡中遠處的IP-Linkl221-2033模塊，IP-Link 1221-2033模塊在接到命令請求幀后，會自動返回一個命令響應幀，旨在向發(fā)出命令的模塊反饋執(zhí)行結(jié)果。數(shù)據(jù)請求幀和確認幀主要服務于IP-Link 1221-2033模塊間的數(shù)據(jù)信息交換。
6結(jié)束語
基于IEEE802.15.4的ZigBee技術以其無可比擬的優(yōu)勢在短距離無線個域網(wǎng)技術中得到了蓬勃發(fā)展。可以肯定，在未來的幾年內(nèi)，該技術依然是各大高校和研究機構(gòu)研究的熱點。ZigBee技術具有廣闊的應用前景和市場價值，隨著研究的不斷深入，ZigBee技術將應用于人們生活中的各個領域，并逐漸影響和改變?nèi)藗兊纳罘绞?，使人們生活在一個充滿生機的現(xiàn)代化信息網(wǎng)絡之中。
居民用電的計量收費，最常用的傳統(tǒng)方式是傳統(tǒng)的入戶抄表收費。但傳統(tǒng)的抄表方式不但費時費力，準確性和及時性得不到可靠的保證。而且存在入戶麻煩這樣的弊端，已不適應現(xiàn)代物業(yè)管理的需要。無線抄表系統(tǒng)具有省時、少人、少力，能提高工作效率、降低物業(yè)成本，并可及時準確地將用戶電表數(shù)據(jù)抄送上來，因而是抄表計費發(fā)展的趨勢。而在眾多無線技術中，Zigbee技術有著獨特的優(yōu)勢，其低速率，低能耗，傳輸可靠，組網(wǎng)靈活等特點正日益成為樓宇智能化中的熱門技術。
1 Zigbee技術
事實上，短距離通信具有多種技術方式。表1所列是幾種短距離無線通信技術的比較。在表1所列的幾種技術中，基于IEEE 802.15.4協(xié)議的ZigBee技術起源于本世紀初的一種具有代表性的短距離無線通信技術標準，其PHY層與MAC層協(xié)議由IEEE802.15.4工作小組制定，網(wǎng)絡層由ZigBee技術聯(lián)盟制定，應用層的開發(fā)應用則可根據(jù)用戶自己的應用需要來進行開發(fā)，因此，該技術能夠為用戶提供更加靈活機動的組網(wǎng)方式。
2無線抄表系統(tǒng)描述
本系統(tǒng)中的硬件模塊采用Helicomm公司的IP-Link 1221-2033模塊與MSP430以及按鍵和液晶顯示器件組成。用戶端則由一個電表和一個數(shù)傳模塊組成。經(jīng)過改裝，當表讀數(shù)增加時，ZigBee模塊計數(shù)相應增加，當達到預先設定的發(fā)送時間后(該時間可以設定)，系統(tǒng)即可向數(shù)據(jù)集中節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。
而在管理中心端，數(shù)據(jù)集中節(jié)點的ZigBee模塊具有數(shù)據(jù)融合處理的功能，它可以將采集的數(shù)據(jù)自動記錄到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并根據(jù)抄表人員的操作指令顯示數(shù)據(jù)。
3方案特點
本系統(tǒng)標準基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能，它可支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡類型，即星型結(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)絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。
mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)具有強大的功能，該網(wǎng)絡的所有實體只要在通信范圍之內(nèi)，都可以互相通信，如果沒有直接通路，還可以通過“多級跳”的方式來通信，此外，該拓撲結(jié)構(gòu)還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡；除此之外，網(wǎng)絡還具備自組織和自愈功能。
本系統(tǒng)的設備十分省電。系統(tǒng)采用多種節(jié)電工作模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間，還可以確保通信的可靠。由于本系統(tǒng)采用了CSMA-CA的碰撞避免機制，同時還為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，因而避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層則采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，此外，該系統(tǒng)網(wǎng)絡的自組織和自愈能力也很強。
本系統(tǒng)的自組織功能無需人工干預，網(wǎng)絡節(jié)點就能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關系，以組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡；而Zigbee的自愈功能則可完成增加或者刪除一個節(jié)點，或在節(jié)點位置發(fā)生變動時處理。節(jié)點發(fā)生的故障等，以使網(wǎng)絡能夠自我修復，并對網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)進行相應地調(diào)整，而無需人工干預，從而保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作?？梢哉f，具備自組織、自愈能力的無線通信網(wǎng)絡才是自動抄表系統(tǒng)最理想的通信方式。
[!--empirenews.page--]本系統(tǒng)設備的復雜程度低，且Zigbee協(xié)議是免專利費的，因而可以有效地降低設備成本，同時ZigBee的工作頻段靈活，采用的是免執(zhí)照頻段的2.4 GHz，也就是沒有使用費的無線通信。
本系統(tǒng)的網(wǎng)絡容量較大。一個ZigBee網(wǎng)絡可以容納多達245個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在20多個ZigBee網(wǎng)絡。
此外就是數(shù)據(jù)安全。ZigBee提供有數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時，各個應用也可以靈活確定其安全屬性。
對于每個抄表終端而言。往往要求超低功耗和低成本(包括設備成本、運行成本)，而且數(shù)據(jù)的傳輸速率不高，對于居民小區(qū)的抄表，抄表終端通常分布較密集、距離較近，此時ZigBee技術可以很好地滿足這些要求；終端采集的數(shù)據(jù)需要送到電力公司的集中抄表管理中心，這可以通過GPRS／CDMA網(wǎng)絡來實現(xiàn)，而且無距離限制，又無需網(wǎng)絡規(guī)劃、幾乎不需要維護。另外，其所構(gòu)建的ZigBee網(wǎng)絡既可以是星形拓撲，也可以是網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲，但是，不論是哪種拓撲結(jié)構(gòu)的Zig-Bee網(wǎng)絡，均可根據(jù)實際的組網(wǎng)需要設計合理的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
4系統(tǒng)設計
無線抄表終端通常由無線部分、顯示部分、CPU部分、按鍵部分等組成。無線部分主要基于CC2420芯片組成的Zigbee無線通信模塊，這一部分是無線抄表系統(tǒng)的核心。在無線模塊內(nèi)部，CPU可通過SPI口與CC2420通信并控制其狀態(tài)。顯示部分是基于LCD的全數(shù)字顯示系統(tǒng)，能夠在現(xiàn)場顯示抄表系統(tǒng)檢測到的流量值。按鍵部分則可通過對系統(tǒng)的控制來切換不同時間的流量值。本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本ZigBee技術在IEEE802.15.4協(xié)議基礎上，還增加了邏輯網(wǎng)絡、安全性和應用程序接口(API)標準，同時提供有靜態(tài)和動態(tài)星形、集群樹和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)大區(qū)域網(wǎng)絡覆蓋和擴展，并可避免單點故障。此外，通過選用合適的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，也可以減少網(wǎng)絡的冗余度，降低系統(tǒng)的復雜度，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
5射頻芯片的選擇
無線射頻模塊的開發(fā)可采用Helicomm公司的無線收發(fā)模塊IP-Linkl221-2033。IP-Link1221-2033是Helicomm公司推出的一款符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4 GHz射頻模塊，其射頻芯片為CC2420，可被用來開發(fā)工業(yè)無線傳感及家庭組網(wǎng)等PAN網(wǎng)絡的ZigBee設備和產(chǎn)品。該器件包括眾多額外功能，是一款十分適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術，以CBIOS工藝制成，只需極少外部元器件，而且性能穩(wěn)定，功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備所支持的數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbos，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。
在二進制模式下，IP-Link 1221-2033模塊可支持四種幀類型，包括命令請求、命令響應、數(shù)據(jù)請求和確認幀。其中命令請求幀是用來查詢和配置命令網(wǎng)絡中遠處的IP-Linkl221-2033模塊，IP-Link 1221-2033模塊在接到命令請求幀后，會自動返回一個命令響應幀，旨在向發(fā)出命令的模塊反饋執(zhí)行結(jié)果。數(shù)據(jù)請求幀和確認幀主要服務于IP-Link 1221-2033模塊間的數(shù)據(jù)信息交換。
6結(jié)束語
基于IEEE802.15.4的ZigBee技術以其無可比擬的優(yōu)勢在短距離無線個域網(wǎng)技術中得到了蓬勃發(fā)展。可以肯定，在未來的幾年內(nèi)，該技術依然是各大高校和研究機構(gòu)研究的熱點。ZigBee技術具有廣闊的應用前景和市場價值，隨著研究的不斷深入，ZigBee技術將應用于人們生活中的各個領域，并逐漸影響和改變?nèi)藗兊纳罘绞?，使人們生活在一個充滿生機的現(xiàn)代化信息網(wǎng)絡之中。
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