Zigbee技術(shù)在電力無線抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用

0  引言

居民用電的計(jì)量收費(fèi)，最常用的傳統(tǒng)方式是傳統(tǒng)的入戶抄表收費(fèi)。但傳統(tǒng)的抄表方式不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，準(zhǔn)確性和及時(shí)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(yīng)現(xiàn)代物業(yè)管理的需要。無線抄表系統(tǒng)具有省時(shí)、少人、少力，能提高工作效率、降低物業(yè)成本，并可及時(shí)準(zhǔn)確地將用戶電表數(shù)據(jù)抄送上來，因而是抄表計(jì)費(fèi)發(fā)展的趨勢(shì)。而在眾多無線技術(shù)中，Zigbee技術(shù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其低速率，低能耗，傳輸可靠，組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)正日益成為樓宇智能化中的熱門技術(shù)。

1  Zigbee技術(shù)

事實(shí)上，短距離通信具有多種技術(shù)方式。表1所列是幾種短距離無線通信技術(shù)的比較。在表1所列的幾種技術(shù)中，基于IEEE 802.15.4協(xié)議的ZigBee技術(shù)起源于本世紀(jì)初的一種具有代表性的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其PHY層與MAC層協(xié)議由IEEE802.15.4工作小組制定，網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)用則可根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要來進(jìn)行開發(fā)，因此，該技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁└屿`活機(jī)動(dòng)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(gè)電表和一個(gè)數(shù)傳模塊組成。經(jīng)過改裝，當(dāng)表讀數(shù)增加時(shí)，ZigBee模塊計(jì)數(shù)相應(yīng)增加，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的發(fā)送時(shí)間后(該時(shí)間可以設(shè)定)，系統(tǒng)即可向數(shù)據(jù)集中節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

而在管理中心端，數(shù)據(jù)集中節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(diǎn)

本系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它可支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。

mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的功能，該網(wǎng)絡(luò)的所有實(shí)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(jí)跳”的方式來通信，此外，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；除此之外，網(wǎng)絡(luò)還具備自組織和自愈功能。

本系統(tǒng)的設(shè)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(hào)電池支持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)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(jī)制，同時(shí)還為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，因而避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。MAC層則采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，此外，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自愈能力也很強(qiáng)。

本系統(tǒng)的自組織功能無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，以組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；而Zigbee的自愈功能則可完成增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，或在節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)時(shí)處理。節(jié)點(diǎn)發(fā)生的故障等，以使網(wǎng)絡(luò)能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，而無需人工干預(yù)，從而保證整個(gè)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(luò)才是自動(dòng)抄表系統(tǒng)最理想的通信方式。

[!--empirenews.page--]本系統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜程度低，且Zigbee協(xié)議是免專利費(fèi)的，因而可以有效地降低設(shè)備成本，同時(shí)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(fèi)的無線通信。

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量較大。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納多達(dá)245個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在20多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

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(shí)，各個(gè)應(yīng)用也可以靈活確定其安全屬性。

對(duì)于每個(gè)抄表終端而言。往往要求超低功耗和低成本(包括設(shè)備成本、運(yùn)行成本)，而且數(shù)據(jù)的傳輸速率不高，對(duì)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(shí)ZigBee技術(shù)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(luò)來實(shí)現(xiàn)，而且無距離限制，又無需網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、幾乎不需要維護(hù)。另外，其所構(gòu)建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)既可以是星形拓?fù)?，也可以是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?，不論是哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)，均可根據(jù)實(shí)際的組網(wǎng)需要設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

4系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(chǎng)顯示抄表系統(tǒng)檢測(cè)到的流量值。按鍵部分則可通過對(duì)系統(tǒng)的控制來切換不同時(shí)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(shù)在IEEE802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上，還增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、安全性和應(yīng)用程序接口(API)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)提供有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)星形、集群樹和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋和擴(kuò)展，并可避免單點(diǎn)故障。此外，通過選用合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也可以減少網(wǎng)絡(luò)的冗余度，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(luò)的ZigBee設(shè)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(shù)，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(biāo)準(zhǔn)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(shè)備所支持的數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbos，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

在二進(jìn)制模式下，IP-Link 1221-2033模塊可支持四種幀類型，包括命令請(qǐng)求、命令響應(yīng)、數(shù)據(jù)請(qǐng)求和確認(rèn)幀。其中命令請(qǐng)求幀是用來查詢和配置命令網(wǎng)絡(luò)中遠(yuǎn)處的IP-Linkl221-2033模塊，IP-Link 1221-2033模塊在接到命令請(qǐng)求幀后，會(huì)自動(dòng)返回一個(gè)命令響應(yīng)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(qǐng)求幀和確認(rèn)幀主要服務(wù)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(shù)以其無可比擬的優(yōu)勢(shì)在短距離無線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)中得到了蓬勃發(fā)展?？梢钥隙?，在未來的幾年內(nèi)，該技術(shù)依然是各大高校和研究機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)。ZigBee技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值，隨著研究的不斷深入，ZigBee技術(shù)將應(yīng)用于人們生活中的各個(gè)領(lǐng)域，并逐漸影響和改變?nèi)藗兊纳罘绞剑谷藗兩钤谝粋€(gè)充滿生機(jī)的現(xiàn)代化信息網(wǎng)絡(luò)之中。