無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，是一組基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)。它支持3種主要的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類型，即星狀網(wǎng)、集群樹(shù)狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓?fù)?。網(wǎng)狀網(wǎng)是一種高可靠性的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)狀網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 WSN網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
本文研究的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集中抄表系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶采集器與集中器間的數(shù)據(jù)通信，通過(guò)CDMA/GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集中器與抄表中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。
ZigBee技術(shù)
ZigBee是一種無(wú)線連接技術(shù)的商業(yè)化命名，該無(wú)線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。 國(guó)際上，IEEE 802.15.4工作組及ZigBee聯(lián)盟共同致力于該無(wú)線連接技術(shù)的推廣工作，其中，IEEE 802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定ZigBee物理層及MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，以便于今后不同廠商設(shè)備的互連互通； ZigBee聯(lián)盟則負(fù)責(zé)高層應(yīng)用及市場(chǎng)推廣工作。而于2002年成立的ZigBee聯(lián)盟如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無(wú)線設(shè)備公司的加入。目前，F(xiàn)reescale、TI等國(guó)際巨頭都已推出了比較成熟的ZigBee開(kāi)發(fā)平臺(tái)。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種主要的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類型，即星狀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
GPRS網(wǎng)絡(luò)是覆蓋范圍廣，性能較為完善的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，GPRS通信網(wǎng)本身具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)糾錯(cuò)能力，數(shù)據(jù)傳輸率較高可達(dá)128Kb/s能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。用ZigBee技術(shù)組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低；采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K體積小、功耗低，適合作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，ZigBee技術(shù)、GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與傳感器技術(shù)相結(jié)合組成新興的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
WSN網(wǎng)絡(luò)集中抄表系統(tǒng)整體采用分布式體系結(jié)構(gòu)，用電管理中心與集中器之間(上層)數(shù)據(jù)的采集采用星狀結(jié)構(gòu)；集中器與采集器之間(下層)數(shù)據(jù)的采集采用網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)。無(wú)線抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 無(wú)線抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
上層通信以電力局中心的系統(tǒng)主站為中心，通過(guò)GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)與分散于各物業(yè)小區(qū)的集中器連接，形成1對(duì)N的連接形式，實(shí)現(xiàn)集中器和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線連接；下層通信包括集中器對(duì)電表參數(shù)的采集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)，以及轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)下達(dá)的指令和對(duì)電表進(jìn)行控制操作等。出于成本與通信可靠性的考慮，設(shè)計(jì)了采集器。每棟居民樓設(shè)置一個(gè)采集器，電表通過(guò)RS-485總線與采集器進(jìn)行通信，采集器通過(guò)WSN終端節(jié)點(diǎn)與小區(qū)中心的WSN中心節(jié)點(diǎn)及集中器進(jìn)行通信。示意圖如圖3所示。
圖3 無(wú)線抄表系統(tǒng)總體示意圖
采用低成本的WSN組網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)組建了一個(gè)無(wú)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?shù)姆€(wěn)定性。
該無(wú)線抄表系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
● 電表抄錄數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確，系統(tǒng)的傳輸容量大。
● 可對(duì)電表設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、參數(shù)調(diào)整、開(kāi)關(guān)等控制操作。
● 安裝、維護(hù)方便，不需要進(jìn)行專門(mén)布線。
● 集中抄表范圍廣，GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，WSN技術(shù)使擴(kuò)容無(wú)限制。
系統(tǒng)主要功能
系統(tǒng)通過(guò)電能表的RS-485總線數(shù)據(jù)接口或脈沖信號(hào)方式傳輸給采集器。采集器巡檢各電能表RS-485總線數(shù)據(jù)或接收到多路脈沖信號(hào)后進(jìn)行處理或計(jì)數(shù)，并將結(jié)果存儲(chǔ)。
采集器與集中器的通信采用無(wú)線WSN模塊，采集器平時(shí)處于接收狀態(tài)，當(dāng)接收到集中器的操作指令時(shí)，按照指令內(nèi)容操作，將本采集器有關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線WSN模塊送至集中器。
集中器可以定時(shí)或?qū)崟r(shí)的對(duì)下轄的采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)抄收，并進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)上級(jí)設(shè)備—管理中心計(jì)算機(jī)調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí)，則將所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)打包送上。管理中心計(jì)算機(jī)可以對(duì)集中器，并通過(guò)集中器對(duì)采集終端進(jìn)行各種操作。
主要模塊功能
(1) 用戶管理軟件
管理軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理，通過(guò)轄下的集中器可以隨時(shí)調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)任一表計(jì)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。同時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備發(fā)出各種指令。其主要功能如下。
● 讀取和設(shè)置各種計(jì)量數(shù)據(jù)、管理參數(shù)。
● 費(fèi)用的統(tǒng)計(jì)、查詢、備份、報(bào)表、收費(fèi)單生成。
● 電能表管理：設(shè)置電能表原始參數(shù)、地址、費(fèi)率及其狀態(tài)。
● 費(fèi)率管理：可任意設(shè)定多種費(fèi)率。
● 小區(qū)管理：對(duì)各小區(qū)設(shè)置通信參數(shù)。
● 用戶管理：管理和控制每個(gè)單位的用量、時(shí)間等；管理用戶的結(jié)算方式等。
● 系統(tǒng)管理功能：管理操作人員及其權(quán)限；各種系統(tǒng)安裝數(shù)據(jù)，各種通信設(shè)置。
● 定時(shí)抄表功能：對(duì)系統(tǒng)所有表計(jì)進(jìn)行定時(shí)抄表，每天最少抄一次，抄表次數(shù)可設(shè)定并保留末次抄表數(shù)據(jù)。
● 實(shí)時(shí)抄表功能：實(shí)時(shí)抄取任一表記當(dāng)前數(shù)據(jù)及狀態(tài)。
● 自動(dòng)校時(shí)功能：定時(shí)抄表時(shí)自動(dòng)較正系統(tǒng)內(nèi)裝置的時(shí)間。
● 斷電功能：用戶違章時(shí)或欠費(fèi)可切斷電、水、氣。
● 斷線檢測(cè)功能：信號(hào)線接觸不良或斷線時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)顯示。
● 防竊功能：對(duì)系統(tǒng)內(nèi)違章行為進(jìn)行監(jiān)督。
● 超載報(bào)警功能：用戶用量超過(guò)計(jì)量表最大值的1.2倍時(shí)報(bào)警。
● 掉電數(shù)據(jù)保留功能：系統(tǒng)或某設(shè)備斷電時(shí)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保留。
● 短路檢測(cè)功能：信號(hào)線短路時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)顯示。
● 心跳監(jiān)測(cè)功能：對(duì)每個(gè)采集器、集中器、無(wú)線傳輸模塊的心跳數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
● 短信報(bào)警功能：當(dāng)出現(xiàn)心跳數(shù)據(jù)異常或其他報(bào)警信息時(shí)，將根據(jù)設(shè)置要求發(fā)短信至相關(guān)人員。
(2) 數(shù)據(jù)采集模塊
采集模塊可采集8個(gè)表計(jì)的電脈沖信號(hào)、采集模塊可輪巡采集16個(gè)數(shù)字式電能表并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。它的作用是對(duì)用戶的表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，接收來(lái)自集中器發(fā)來(lái)的各種操作命令，向集中器回送表計(jì)數(shù)據(jù)。對(duì)聲違章、欠費(fèi)用戶實(shí)施警告和控制。
(3) 集中器（TDR-05JJ）
集中器是整個(gè)系統(tǒng)的橋梁，用于終端管理、數(shù)據(jù)緩存。集中器一方面接收來(lái)自管理中心計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，同時(shí)還存儲(chǔ)所轄表記的數(shù)據(jù)和有關(guān)參數(shù)，并具有定時(shí)抄收采集終端（智能表）數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)臨視采集終端（智能表）的工作狀態(tài)等功能。
(4) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊包括終端模塊、路由器模塊和數(shù)據(jù)集中器模塊。終端模塊是通過(guò)RS-485總線將采集器的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，路由器模塊是起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)作用，數(shù)據(jù)集中器模塊是將所有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集中，并通過(guò)GPRS/CDMA網(wǎng)，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)。其核心芯片使用CC2430單片機(jī)。
圖4 ZigBee核心模塊設(shè)計(jì)
(5) CDMA/GPRS無(wú)線傳輸模塊
CDMA/GPRS無(wú)線傳輸模塊主要用于小區(qū)集中器或與供電公司管理計(jì)算機(jī)之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
CDMA/GPRS無(wú)線傳輸模塊就近與集中器RS-232端口或小區(qū)中心管理計(jì)算機(jī)的串口直接相接，通過(guò)CDMA/GPRS網(wǎng)絡(luò)與供電局鏈接于互聯(lián)網(wǎng)的中心管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
總結(jié)
智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)節(jié)省時(shí)間、人力、物力、提高工作效率，降低物業(yè)成本，準(zhǔn)確及時(shí)地將住戶所使用的電表數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，為實(shí)現(xiàn)小區(qū)科學(xué)、系統(tǒng)的物業(yè)管理提供了有效的解決方法。智能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的核心是提供了一個(gè)控制信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_(tái)，可遠(yuǎn)程對(duì)電表進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障判斷。該系統(tǒng)可用于對(duì)水表、氣表等其他儀表的遠(yuǎn)程監(jiān)控。