Zigbee技术在电力无线抄表系统中的应用
时间：2009-12-28 10:56:22
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[导读]基于IEEE802.15.4的ZigBee技术以其无可比拟的优势在短距离无线个域网技术中得到了蓬勃发展。可以肯定，在未来的几年内，该技术依然是各大高校和研究机构研究的热点。ZigBee技术具有广阔的应用前景和市场价值，随着研究的不断深入，ZigBee技术将应用于人们生活中的各个领域，并逐渐影响和改变人们的生活方式，使人们生活在一个充满生机的现代化信息网络之中。
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。
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。
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。
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。
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。
5射频芯片的选择
无线射频模块的开发可采用Helicomm公司的无线收发模块IP-Linkl221-2033。IP-Link1221-2033是Helicomm公司推出的一款符合IEEE802.15.4规范的2.4 GHz射频模块，其射频芯片为CC2420，可被用来开发工业无线传感及家庭组网等PAN网络的ZigBee设备和产品。该器件包括众多额外功能，是一款十分适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以CBIOS工艺制成，只需极少外部元器件，而且性能稳定，功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备所支持的数据传输率高达250kbos，可以实现多点对多点的快速组网。
在二进制模式下，IP-Link 1221-2033模块可支持四种帧类型，包括命令请求、命令响应、数据请求和确认帧。其中命令请求帧是用来查询和配置命令网络中远处的IP-Linkl221-2033模块，IP-Link 1221-2033模块在接到命令请求帧后，会自动返回一个命令响应帧，旨在向发出命令的模块反馈执行结果。数据请求帧和确认帧主要服务于IP-Link 1221-2033模块间的数据信息交换。
6结束语
基于IEEE802.15.4的ZigBee技术以其无可比拟的优势在短距离无线个域网技术中得到了蓬勃发展。可以肯定，在未来的几年内，该技术依然是各大高校和研究机构研究的热点。ZigBee技术具有广阔的应用前景和市场价值，随着研究的不断深入，ZigBee技术将应用于人们生活中的各个领域，并逐渐影响和改变人们的生活方式，使人们生活在一个充满生机的现代化信息网络之中。
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。
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。
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。
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。
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。
5射频芯片的选择
无线射频模块的开发可采用Helicomm公司的无线收发模块IP-Linkl221-2033。IP-Link1221-2033是Helicomm公司推出的一款符合IEEE802.15.4规范的2.4 GHz射频模块，其射频芯片为CC2420，可被用来开发工业无线传感及家庭组网等PAN网络的ZigBee设备和产品。该器件包括众多额外功能，是一款十分适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以CBIOS工艺制成，只需极少外部元器件，而且性能稳定，功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备所支持的数据传输率高达250kbos，可以实现多点对多点的快速组网。
在二进制模式下，IP-Link 1221-2033模块可支持四种帧类型，包括命令请求、命令响应、数据请求和确认帧。其中命令请求帧是用来查询和配置命令网络中远处的IP-Linkl221-2033模块，IP-Link 1221-2033模块在接到命令请求帧后，会自动返回一个命令响应帧，旨在向发出命令的模块反馈执行结果。数据请求帧和确认帧主要服务于IP-Link 1221-2033模块间的数据信息交换。
6结束语
基于IEEE802.15.4的ZigBee技术以其无可比拟的优势在短距离无线个域网技术中得到了蓬勃发展。可以肯定，在未来的几年内，该技术依然是各大高校和研究机构研究的热点。ZigBee技术具有广阔的应用前景和市场价值，随着研究的不断深入，ZigBee技术将应用于人们生活中的各个领域，并逐渐影响和改变人们的生活方式，使人们生活在一个充满生机的现代化信息网络之中。
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