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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(jī)下達(dá)的指令和對電表進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行遠(yuǎn)程控制、參數(shù)調(diào)整、開關(guān)等控制操作。

● 安裝、維護(hù)方便，不需要進(jìn)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(kuò)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(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)抄收，并進(jìn)行存儲。當(dāng)上級設(shè)備—管理中心計算機(jī)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(jī)可以對集中器，并通過集中器對采集終端進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行實時監(jiān)測。

● 短信報警功能：當(dāng)出現(xiàn)心跳數(shù)據(jù)異常或其他報警信息時，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(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和存儲。它的作用是對用戶的表進(jìn)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(jī)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(jī)，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(jī)。其核心芯片使用CC2430單片機(jī)。

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(jī)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(jī)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(jī)進(jìn)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(jìn)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。

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