悦动ZigBee模块在无线电力抄表系统中的应用———基于ZIGBEE无线

一、应用需求传统的电力系统手工抄表费时、费力，准确性和及时性得不到可靠的保障，电力企业管理类软件就不能获得足够详细和准确的原始数据。行业的实际需求促进了自动抄表系统的技术和应用的不断发展。二、行业现状目前的自动抄表系统，从数据传输角度划分，可分为有线(PLC)、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。1）现有的电力线载波通信的抄表系统已经在不少地方有比较大规模的应用。但是由于PLC抄表系统的速度慢，准确率比较低，加上我们国家的电网干扰比较厉害（尤其是一些山寨手机充电器这类不符合电气要求的开关电源的大量在线使用对整个电力线载波通信时一个很大的干扰。严重的已经导致电表数据不能正常的抄回。更不要讲新标准里的更多业务的开展。2）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；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。   三、Zigbee技术简介zigbee是一种无线连接技术的商业化命名，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。 国际上，IEEE802.15.4工作组及zigbee联盟共同致力于该无线连接技术的推广工作，其中，IEEE802.15.4工作组主要负责制定zigbee物理层及MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有标准，以便于今后不同厂商设备的互联互通； zigbee联盟则负责高层应用及市场推广工作。而于2002年成立的zigbee联盟如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司的加入。目前，Freescale、TI等国际巨头都已推出了比较成熟的zigbee开发平台。     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。 图二 ZIGBEE网状网络结构 MESH网状网络结构特点1）系统采用多跳式路由通信2）网络容量很大3）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。Zigbee技术特点1）通信可靠: zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了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； 2)网络的自组织、自愈能力强:zigbee的自组织功能：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； zigbee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、自愈能力的无线通信网络才是自动抄表系统最理想的通信方式。3)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。4)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； 5)数据安全:ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。  四、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；
       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。        
          实际的产品图样：                             485集中器（ZIGBEE无线）             小区ZIGBEE-GPRS集中器