無線傳感器網絡

　　無線傳感器網絡技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的技術。它支持3種主要的自組織無線網絡類型，即星狀網、集群樹狀網和網狀網三種拓撲。網狀網是一種高可靠性的Ad Hoc網絡，網狀網的拓撲結構如圖1所示。

圖1;WSN網狀網絡結構圖

　　本文研究的基于無線傳感器網絡集中抄表系統采用網狀網結構的無線傳感器網絡技術，實現用戶采集器與集中器間的數據通信，通過CDMA/GPRS網絡實現集中器與抄表中心之間的數據傳輸。

ZigBee技術

　　ZigBee是一種無線連接技術的商業化命名，該無線連接技術主要解決低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯網應用。國際上，IEEE802.15.4工作組及ZigBee聯盟共同致力于該無線連接技術的推廣工作，其中，IEEE802.15.4工作組主要負責制定ZigBee物理層及MAC層的協議，其余協議主要參照和采用現有標準，以便于今后不同廠商設備的互連互通；ZigBee聯盟則負責高層應用及市場推廣工作。而于2002年成立的ZigBee聯盟如今已經吸引了上百家芯片公司、無線設備公司的加入。目前，Freescale、TI等國際巨頭都已推出了比較成熟的ZigBee開發平臺。ZigBee標準基于802.15.4協議棧而建立，具備了強大的設備聯網功能，它支持三種主要的自組織無線網絡類型，即星狀結構、網狀結構(Mesh)和簇狀結構(Cluster tree)，特別是網狀結構，具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。

系統結構

　　GPRS網絡是覆蓋范圍廣，性能較為完善的無線網絡，GPRS通信網本身具有較強的數據糾錯能力，數據傳輸率較高可達128Kb/s能夠保證數據傳輸的可靠性和實時性。用ZigBee技術組成的無線傳感器網絡結構簡單、體積小、成本低；采用GPRS網絡進行數據傳輸的模塊體積小、功耗低，適合作為無線傳感器網絡的數據節點，ZigBee技術、GPRS網絡數據傳輸與傳感器技術相結合組成新興的無線傳感器網絡。

　　WSN網絡集中抄表系統整體采用分布式體系結構，用電管理中心與集中器之間(上層)數據的采集采用星狀結構；集中器與采集器之間(下層)數據的采集采用網狀網結構。無線抄表系統總體結構如圖2所示。

圖2 無線抄表系統總體結構圖

　　上層通信以電力局中心的系統主站為中心，通過GPRS/CDMA網絡與分散于各物業小區的集中器連接，形成1對N的連接形式，實現集中器和數據中心系統的實時在線連接；下層通信包括集中器對電表參數的采集、存儲、轉發，以及轉發上位機下達的指令和對電表進行控制操作等。出于成本與通信可靠性的考慮，設計了采集器。每棟居民樓設置一個采集器，電表通過RS-485總線與采集器進行通信，采集器通過WSN終端節點與小區中心的WSN中心節點及集中器進行通信。示意圖如圖3所示。

圖3 無線抄表系統總體示意圖

　　采用低成本的WSN組網技術，結合GPRS/CDMA網絡組建了一個無線傳輸信道，縮短了單段的傳輸距離，削弱了信道衰減與干擾的影響，提高了信道傳輸的穩定性。

　　該無線抄表系統具有以下優點：

    電表抄錄數據及時、準確，系統的傳輸容量大。

　　● 可對電表設備進行遠程控制、參數調整、開關等控制操作。

　　● 安裝、維護方便，不需要進行專門布線。

　　● 集中抄表范圍廣，GPRS網絡覆蓋范圍廣，WSN技術使擴容無限制。

系統主要功能

　　系統通過電能表的RS-485總線數據接口或脈沖信號方式傳輸給采集器。采集器巡檢各電能表RS-485總線數據或接收到多路脈沖信號后進行處理或計數，并將結果存儲。

　　采集器與集中器的通信采用無線WSN模塊，采集器平時處于接收狀態，當接收到集中器的操作指令時，按照指令內容操作，將本采集器有關數據通過無線WSN模塊送至集中器。

　　集中器可以定時或實時的對下轄的采集器進行數據抄收，并進行存儲。當上級設備—管理中心計算機調用數據時，則將所存儲的數據打包送上。管理中心計算機可以對集中器，并通過集中器對采集終端進行各種操作。

主要模塊功能

　　(1) 用戶管理軟件

　　管理軟件對整個系統進行管理，通過轄下的集中器可以隨時調用系統內任一表計的數據，并對數據進行處理。同時可以對系統內設備發出各種指令。其主要功能如下。

　　● 讀取和設置各種計量數據、管理參數。

　　● 費用的統計、查詢、備份、報表、收費單生成。

　　● 電能表管理：設置電能表原始參數、地址、費率及其狀態。

　　● 費率管理：可任意設定多種費率。

　　● 小區管理：對各小區設置通信參數。

　　● 用戶管理：管理和控制每個單位的用量、時間等；管理用戶的結算方式等。

　　● 系統管理功能：管理操作人員及其權限；各種系統安裝數據，各種通信設置。

　　● 定時抄表功能：對系統所有表計進行定時抄表，每天最少抄一次，抄表次數可設定并保留末次抄表數據。

　　● 實時抄表功能：實時抄取任一表記當前數據及狀態。

　　● 自動校時功能：定時抄表時自動較正系統內裝置的時間。

　　● 斷電功能：用戶違章時或欠費可切斷電、水、氣。

　　● 斷線檢測功能：信號線接觸不良或斷線時，系統自動顯示。

　　● 防竊功能：對系統內違章行為進行監督。

　　● 超載報警功能：用戶用量超過計量表最大值的1.2倍時報警。

　　● 掉電數據保留功能：系統或某設備斷電時，數據長期保留。

　　● 短路檢測功能：信號線短路時，系統自動顯示。

　　● 心跳監測功能：對每個采集器、集中器、無線傳輸模塊的心跳數據進行實時監測。

　　● 短信報警功能：當出現心跳數據異常或其他報警信息時，將根據設置要求發短信至相關人員。
 

　　(2) 數據采集模塊

    采集模塊可采集8個表計的電脈沖信號、采集模塊可輪巡采集16個數字式電能表并進行數據轉換和存儲。它的作用是對用戶的表進行數據采集處理，接收來自集中器發來的各種操作命令，向集中器回送表計數據。對聲違章、欠費用戶實施警告和控制。

　　(3) 集中器（TDR-05JJ）

　　集中器是整個系統的橋梁，用于終端管理、數據緩存。集中器一方面接收來自管理中心計算機的各種操作命令并下傳采集終端；另一方面，將采集終端的各種信息回傳管理中心計算機，同時還存儲所轄表記的數據和有關參數，并具有定時抄收采集終端（智能表）數據，實時臨視采集終端（智能表）的工作狀態等功能。

　　(4) 無線傳感器網絡模塊

　　無線傳感器網絡模塊包括終端模塊、路由器模塊和數據集中器模塊。終端模塊是通過RS-485總線將采集器的數據發送出去，路由器模塊是起到數據中轉作用，數據集中器模塊是將所有無線傳感器網絡數據集中，并通過GPRS/CDMA網，將數據遠程傳輸到監控主機。其核心芯片使用CC2430單片機。 <

圖4 ZigBee核心模塊設計

　　(5) CDMA/GPRS無線傳輸模塊

　　CDMA/GPRS無線傳輸模塊主要用于小區集中器或與供電公司管理計算機之間的遠程數據傳輸。

　　CDMA/GPRS無線傳輸模塊就近與集中器RS-232端口或小區中心管理計算機的串口直接相接，通過CDMA/GPRS網絡與供電局鏈接于互聯網的中心管理計算機進行數據交互。

　　總結

　　智能遠程抄表系統節省時間、人力、物力、提高工作效率，降低物業成本，準確及時地將住戶所使用的電表數據顯示出來，為實現小區科學、系統的物業管理提供了有效的解決方法。智能遠程抄表系統的核心是提供了一個控制信號采集和數據傳輸的平臺，可遠程對電表進行參數設置、實時監控和故障判斷。該系統可用于對水表、氣表等其他儀表的遠程監控