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基于Zigbee技术的电力无线抄表系统设计

张仲麟

(同济大学控制理论与控制工程系,上海  200092)

0  引言

居民用电的计量收费,最常用的传统方式是传统的入户抄表收费。但传统的抄表方式不但费时费力,准确性和及时性得不到可靠的保证。而且存在入户麻烦这样的弊端,已不适应现代物业管理的需要。无线抄表系统具有省时、少人、少力,能提高工作效率、降低物业成本,并可及时准确地将用户电表数据抄送上来,因而是抄表计费发展的趋势。而在众多无线技术中,Zigbee技术有着独特的优势,其低速率,低能耗,传输可靠,组网灵活等特点正日益成为楼宇智能化中的热门技术。

回帖(6)

刘峰

2019-6-21 09:53:19
1  Zigbee技术

事实上,短距离通信具有多种技术方式。表1所列是几种短距离无线通信技术的比较。在表1所列的几种技术中,基于IEEE 802.15.4协议的ZigBee技术起源于本世纪初的一种具有代表性的短距离无线通信技术标准,其PHY层与MAC层协议由IEEE802.15.4工作小组制定,网络层由ZigBee技术联盟制定,应用层的开发应用则可根据用户自己的应用需要来进行开发,因此,该技术能够为用户提供更加灵活机动的组网方式。



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刘红

2019-6-21 09:53:32
2无线抄表系统描述

本系统中的硬件模块采用Helicomm公司的IP-Link 1221-2033模块与MSP430以及按键和液晶显示器件组成。用户端则由一个电表和一个数传模块组成。经过改装,当表读数增加时,ZigBee模块计数相应增加,当达到预先设定的发送时间后(该时间可以设定),系统即可向数据集中节点发送数据。

而在管理中心端,数据集中节点的ZigBee模块具有数据融合处理的功能,它可以将采集的数据自动记录到本系统数据库内,并根据抄表人员的操作指令显示数据。

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阎锐

2019-6-21 09:53:41
3方案特点

本系统标准基于802.15.4协议栈而建立,具备了强大的设备联网功能,它可支持三种主要的自组织无线网络类型,即星型结构、网状结构(mesh)和簇状结构(cluster tree),特别是网状结构,具有很强的网络健壮性和系统可靠性。

mesh网状网络拓扑结构具有强大的功能,该网络的所有实体只要在通信范围之内,都可以互相通信,如果没有直接通路,还可以通过“多级跳”的方式来通信,此外,该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络;除此之外,网络还具备自组织和自愈功能。

本系统的设备十分省电。系统采用多种节电工作模式,可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间,还可以确保通信的可靠。由于本系统采用了CSMA-CA的碰撞避免机制,同时还为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,因而避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层则采用完全确认的数据传输机制,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息,此外,该系统网络的自组织和自愈能力也很强。

本系统的自组织功能无需人工干预,网络节点就能够感知其他节点的存在,并确定连接关系,以组成结构化的网络;而Zigbee的自愈功能则可完成增加或者删除一个节点,或在节点位置发生变动时处理。节点发生的故障等,以使网络能够自我修复,并对网络拓扑结构进行相应地调整,而无需人工干预,从而保证整个系统仍然能正常工作。可以说,具备自组织、自愈能力的无线通信网络才是自动抄表系统最理想的通信方式。

本系统设备的复杂程度低,且Zigbee协议是免专利费的,因而可以有效地降低设备成本,同时ZigBee的工作频段灵活,采用的是免执照频段的2.4 GHz,也就是没有使用费的无线通信。

本系统的网络容量较大。一个ZigBee网络可以容纳多达245个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在20多个ZigBee网络。

此外就是数据安全。ZigBee提供有数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES-128,同时,各个应用也可以灵活确定其安全属性。

对于每个抄表终端而言。往往要求超低功耗和低成本(包括设备成本、运行成本),而且数据的传输速率不高,对于居民小区的抄表,抄表终端通常分布较密集、距离较近,此时ZigBee技术可以很好地满足这些要求;终端采集的数据需要送到电力公司的集中抄表管理中心,这可以通过GPRS/CDMA网络来实现,而且无距离限制,又无需网络规划、几乎不需要维护。另外,其所构建的ZigBee网络既可以是星形拓扑,也可以是网状网络拓扑,但是,不论是哪种拓扑结构的Zig-Bee网络,均可根据实际的组网需要设计合理的网络结构。

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李英灿

2019-6-21 09:53:47
4系统设计

无线抄表终端通常由无线部分、显示部分、CPU部分、按键部分等组成。无线部分主要基于CC2420芯片组成的Zigbee无线通信模块,这一部分是无线抄表系统的核心。在无线模块内部,CPU可通过SPI口与CC2420通信并控制其状态。显示部分是基于LCD的全数字显示系统,能够在现场显示抄表系统检测到的流量值。按键部分则可通过对系统的控制来切换不同时间的流量值。本系统的整体结构如图1所示。


本ZigBee技术在IEEE802.15.4协议基础上,还增加了逻辑网络、安全性和应用程序接口(API)标准,同时提供有静态和动态星形、集群树和网状网络结构,可以实现大区域网络覆盖和扩展,并可避免单点故障。此外,通过选用合适的网络拓扑结构,也可以减少网络的冗余度,降低系统的复杂度,提高系统的经济性。

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