基于ZigBee的电力抄表系统无线通信方案

　　一、应用需求
      

　　在电力系统的信息化过程中，户表数据的自动抄送具有十分重要的意义，也是行业单位迫切想要解决的问题，因为电表数据抄送的准确性、及时性，直接影响电力系统的信息化水平、甚至管理决策、经济效益。传统的手工抄表费时、费力，准确性和及时性得不到可靠的保障，这导致了相关营销和企业管理类软件不能获得足够详细和准确的原始数据；一般人工抄表都按月抄表，对于用户计量来说是可行的，但对于相关供应部门进行更深层次的分析和管理决策却不够，行业的实际需求催生着自动抄表系统的技术和应用的不断发展。

　　二、技术要求

　　目前的自动抄表系统，从数据传输角度划分，可分为有线、无线两大类，这两大类抄表系统各有其适用的应用领域，但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言，无线抄表系统显然具有更大优势。

　　无线抄表系统对无线通讯数据的传输和保存有着很高的要求，即数据可靠性要求很高；由于用电池供电，因此对功耗要求也很苛刻；无线抄表系统可以摆脱人工抄表的办法，利用数据通讯协议传输数据；基于以上原因，要求设计的自动无线远传抄表系统应该具有计量准确、通信可靠、抄表方便、功耗低等远程抄表系统的优点，以及节省人力、远程监控、远程维护的功能。

　　随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为zigbee，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网，我们采用Zigbee技术和GPRS/CDMA技术结合，可以为电表的无线抄表提供很好的解决方案。 其关注的问题有：
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　　成本

　　无论是家庭用户，还是企业用户，抄表终端的成本始终是绕不开的话题，特别是家庭用户，对于成本更为敏感。
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　　通信可靠性

　　这是无线抄表系统的最基本的要求，但同时又是不很容易解决定问题。
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　　无线网络的自组织、自愈功能

　　自组织：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络； 自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

　　具备自组织、自愈能力的自动抄表网络才是最理想的网络， zigbee技术能够很好地支持这种智能型的网络。

　　三、Zigbee技术简介 
      

　　 zigbee是一种短距离无线通信技术的商业化命名，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。
    

　　 ZigBee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。

       星型网络结构特点
  　支持点对点、点对多点通信
  　中心节点为ZIGBEE协调器，终端节点为ZIGBEE终端设备
  　所有数据经过中心节点
  　适合圆形分散、距离较近的传感器联网

　　MESH网状网络结构特点
  　

　　系统采用多跳式路由通信
  　　

　　网络容量很大
  　

　　可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构

　　MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络的所有实体只有要通信范围之内，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；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、自愈功能。

 　　四、Zigbee技术特点

　　通信可靠
       ZIGBEE技术在物理层采用抗干扰非常强的DSSS直序扩频技术进行传输，在MAC协议层采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突；采用完全确认的数据传输机制，保证信息传输的可靠性；                      

       zigbee的自组织功能：

　　无需人工干预，网络节点能感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络； zigbee自愈功能：增加、删除或移动节点，节点发生故障等等，网络都能够自我修复无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

　　成本低廉
      

　　设备的复杂程度低，且Zigbee协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成本；Zigbee的工作频段灵活，为免执照频段的2.4GHz，就是没有使用费的无线通信。

　　网络容量大
       一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在200多个ZigBee网络。
 
　　五、基于ZigBee技术的无线电力抄表系统解决方案
       

　　 通过前面对电力抄表系统的技术要求分析，结合zigbee技术特点和技术优势，采用zigbee技术来实现电表的无线抄表是一个非常理想的解决方案。 在实际应用中，我们选择了将zigbee技术与GPRS/CDMA广域网无线数据传输结合起来，根据抄表用户的不同分布，来灵活地构建抄表的无线网络。
       

　　 对于每个抄表终端而言，要求超低功耗、低成本（包括设备成本、运行成本），并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，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抄管理中心，这可以通过GPRS/CDMA网络来实现，它无距离限制，且无需网络规划、几乎不需要维护；
       

　　我们推荐用户所构建的zigbee网络既可以是星形拓扑，也可以是网状网络拓扑，不论是哪种拓扑结构的zigbee网络，根据实际的组网需要，设计合理的网络结构。
                                     

　　  本方案采用MESH网状网络结构，保证数据传输的可靠性，在每幢单元楼设置一个ZIGBEE远端节点，在每一个小区设置一个ZIGBEE中心节点，使用博芯公司出品的ZMR01GPRS/CDMA无线数据传输模块，该模块具有ZIGBEE数据收发功能。基于ZMR01模块实现的ZIGBEE中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心。

 　　ZIGBEE远端节点的设计有2种方案：
      

　　第一种是每幢单元楼设置一个ZIGBEE远端节点，负责数据收发或作路由器，每楼层电表通过RS485总线连接ZIGBEE远端节点，ZIGBEE远端接点采用博芯公司生产的ZL01模块。如图四所示

　　第二种在电表内部内置博芯公司生产的标准ZIGBEE无线收发板，使得电表具有短距离无线数据收发功能。直接接入到远端的ZMR01 构成的小区ZIGBEE中心站。

 　　六、Zigbee技术方案优势
       

　　目前的自动抄表系统，从数据传输角度划分，可分为有线、无线两大类，这两大类抄表系统各有其适用的应用领域，但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言，采用ZIGBEE无线抄表系统显然具有更大优势。
      

　　使用成本低：博芯公司设计的内置模块或者ZL01传输终端，成本低廉，易于用户嵌入其电表内。

　　超低功耗：ZL系列ZIGBEE模块的平均功耗小于50uA（每3秒发送一个256字节数据包）
      

　　 无需人工干预：采用ZIGBEE构建的无线网络具有相当强的自我管理功能，增加或者减少节点，都无需人工去修改相应的数据库配置；增加一个节点，网络会自动识别接入，删除一个节点不会影响整个网络的工作。
 

本文来源：博芯电子    作者：

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