基于无线传感器网络的远程自动抄表系统设计

摘要：针对居民小区抄表系统的技术要求，设计了一种基于无线传感器网络的的远程自动抄表系统方案，该系统将有线通信与无线通信、ZigBee短距离通信与GPRS／CDMA／3G远距离通信有机地结合起来，实现了居民小区的远程自动抄表。给出了组网结构图，阐述了抄表管理中心的软件结构框图和主要功能。与传统的实现方案相比，该方案的通信设计有明显的优势。
关键词：无线传感器网络；自动抄表；通信组网；居民小区

0 引言
    供水、供电、供气等系统的用户表数据自动抄送具有十分重要的意义，不仅便于数据的统计和管理，而且极大地提高了工作效率，同时也改善了居民的生活质量。自动抄表(Automatic Meter Reading，AMR)系统，是指利用微电子、计算机网络以及传感等技术自动读取和处理仪表数据，将城市居民的用水、用电、用气等信息加以综合处理的自动化系统。目前的自动抄表系统，可分为有线方式和无线方式两类。由于无线通信技术的不断发展，出现了许多面向抄表系统的无线解决方案，如无线数传电台、无线传感器网络以及GPRS／CDMA／3G无线公网或者多种方式结合等。有线方式，如RS 485总线，技术简单、成熟，易于实现，但施工布线工作量大，网线易受人为破坏。无线抄表系统在系
统安装的方便、快捷方面具有更大优势。

1 无线传感器网络技术
    无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式发送，并以自组织多跳的网络方式传送到管理终端。

2 居民小区远程自动抄表系统方案设计
2．1 系统组成
    系统由位于监测管理中心的主站(包括前置机、多个工作站和数据库服务器)和数据采集器及ZigBee节点、ZigBee中心节点及GPRS／CDMA ／3G转发点、用户表等部分组成。
2．2 居民小区组网
    居民小区抄表分为新建小区和旧城小区。新建小区根据建设部提出的小康型住宅小区规划要求，新建和改建的住宅统一规划，实行水、电、气三表出户统一管理表具，用户表比较集中。旧城小区用户表比较分散。采用ZigBee技术实现水、电、气三表的无线抄表是一个非常理想的解决方案。在实际应用中，结合无线传感器网络的技术特点，综合考虑自动抄表系统的稳定性、系统成本及楼宇小区的实际情况，提出有线与无线网络相结合的综合通信组网方式。
    居民楼层内采用RS 485有线连接、居民楼层间ZigBee无线网络、居民小区无线公网的综合通信方式，为水电气三表的无线自动抄表提供了切实可行的解决方案。每楼层内的用户表数据通过RS 485总线传输到一个数据采集器，该采集器通过小区ZigBee无线传感器网络传输到小区的数据采集中心，小区数据采集中心通过GPRS／CDMA／3G无线公网将数据传送到水、电、气公用事业公司的抄表管理中心。
    小区内网络布设示意如图1所示。特点如下：

    (1)采用MESH网状网络结构，保证数据传输的可靠性；
    (2)一个小区设置一个ZigBee中心节点；
    (3)每个ZigBee节点最多采集10个用户的三表数据，通过ZigBee网络将数据传输到ZigBee中心节点；
    (4)ZigBee中心节点数据通过GPRS／CDMA／3G上传到抄表管理中心。
    单元楼层内组网结构图如图2所示。特点如下：

    (1)每楼层的水、电、气三表通过RS 485总线连接到数据采集器及ZigBee节点；
    (2)每楼层设置一个或几个ZigBee远端节点，负责数据收发或作路由器，每个ZigBee节点最多接入10个用户的三表数据；
    (3)ZigBee节点将数据上传到ZigBee中心节点。

3 抄表系统管理中心组成及主要功能
    抄表系统管理中心由管理中心计算机、服务器、打印机等组成。管理中心计算机是整个远程抄表系统的核心，其上安装有Windows XP操作系统和远程抄表系统软件，并同时连接数据通信设备和数据存储设备。管理中心计算机提供了一个用作系统操控、管理的友好用户界面，自动地检索抄表数据及存储数据以供处理及查询。远程抄表系统软件由组态子系统、数据中心子系统、数据管理子系统、收费子系统组成，每个子系统分别由若干个独立的模块组成，便于以后系统的继承和扩展。
    远程抄表系统软件结构组成框图如图3所示。

    后台数据库选用SQL Server 2005，前台通信程序选用VC，用户界面及后台数据处理程序使用Delphi 6。SOL Server 2005是一种典型的具有C／S体系结构的关系型数据库管理系统，使用Transact-SQL语句在客户机和服务器之间传递请求和回应，具有易用性、可伸缩性、可建立数据仓库、集成性、良好的性价比等优点，完全可以满足抄表管理系统的设计要求。Delphi具有可视化、面向对象的特性，具有强大的组件技术支持，特别适合在Windows环境下进行图形界面和用户程序的编制。
    系统主要功能如下：
    (1)该软件兼容多种通信方式，如有线，无线(专网、GSM短信、GPRS／CDMA／3G)等；
    (2)实时抄表功能，系统可抄取各户表的实时数据；
    (3)可远程设置抄表终端的工作参数，如地址等；
    (4)系统组态功能，任意增加、删除某一用户的信息；
    (5)采用模块化设计，支持不同客户的要求，如特殊格式报表，权限控制等；
    (6)可与用户其他系统连接，提供开放的数据接口；
    (7)查询功能，以数据库为核心，提供数据处理、查询、统计、报表、备份等功能。可随时查询任一户、任一单元全部住户及整个小区内所有用户的耗能信息，用户可以用短信查询相关信息；
    (8)故障报警与异常记录；
    (9)抄表异常分析功能；
    (10)可管理和控制每户的用量，管理用户的结算方式，打印各种用户费用清单。

4 结语
    综合考虑自动抄表系统的稳定性、系统成本及居民小区的实际情况，提出了有线通信与无线通信相结合的综合通信方式，实现了ZigBee短距离传输与GPRS／CDMA／3G远距离传输的优势互补，从而实现了居民小区的远程自动抄表。