基于无线传感器网络的远程智能抄表系统设计.doc

无线传感器网络
无线传感器网络技术是一个近距离、 低复杂度、 低功耗、 低数据速率、 低成本双向无线通信技术, 是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发相关组网、 安全和应用软件方面技术。它支持3种关键自组织无线网络类型, 即星状网、 集群树状网和网状网三种拓扑。网状网是一个高可靠性Ad Hoc网络, 网状网拓扑结构如图1所表示。

图1 WSN网状网络结构图

本文研究基于无线传感器网络集中抄表系统采取网状网结构无线传感器网络技术, 实现用户采集器与集中器间数据通信, 经过CDMA/GPRS网络实现集中器与抄表中心之间数据传输。
ZigBee技术
ZigBee是一个无线连接技术商业化命名, 该无线连接技术关键处理低成本、 低功耗、 低复杂度、 低传输速率、 近距离设备联网应用。 国际上, IEEE 802.15.4工作组及ZigBee联盟共同致力于该无线连接技术推广工作, 其中, IEEE 802.15.4工作组关键负责制订ZigBee物理层及MAC层协议, 其它协议关键参考和采取现有标准, 方便于以后不一样厂商设备互连互通; ZigBee联盟则负责高层应用及市场推广工作。而于成立ZigBee联盟现在已经吸引了上百家芯片企业、 无线设备企业加入。现在, Freescale、 TI等国际巨头都已推出了比较成熟ZigBee开发平台。ZigBee标准基于802.15.4协议栈而建立, 含有了强大设备联网功效, 它支持三种关键自组织无线网络类型, 即星状结构、 网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree), 尤其是网状结构, 含有很强网络健壮性和系统可靠性。
系统结构
GPRS网络是覆盖范围广, 性能较为完善无线网络, GPRS通信网本身含有较强数据纠错能力, 数据传输率较高可达128Kb/s能够确保数据传输可靠性和实时性。用ZigBee技术组成无线传感器网络结构简单、 体积小、 成本低; 采取GPRS网络进行数据传输模块体积小、 功耗低, 适合作为无线传感器网络数据节点, ZigBee技术、 GPRS网络数据传输与传感器技术相结合组成新兴无线传感器网络。

WSN网络集中抄表系统整体采取分布式体系结构, 用电管理中心与集中器之间(上层)数据采集采取星状结构; 集中器与采集器之间(下层)数据采集采取网状网结构。无线抄表系统总体结构如图2所表示。

图2 无线抄表系统总体结构图

上层通信以电力局中心系统主站为中心, 经过GPRS/CDMA网络与分散于各物业小区集中器连接, 形成1对N连接形式, 实现集中器和数据中心系统实时在线连接; 下层通信包含集中器对电表参数采集、 存放、 转发, 以及转发上位机下达指令和对电表进行控制操作等。出于成本与通信可靠性考虑, 设计了采集器。每栋居民楼设置一个采集器, 电表经过RS-485总线与采集器进行通信, 采集器经过WSN终端节点与小区中心WSN中心节点及集中器进行通信。示意图如图3所表示。

图3 无线抄表系统总体示意图
采取低成本WSN组网技术, 结合GPRS/CDMA网络组建了一个无线传输信道, 缩短了单段传输距离, 减弱了信道衰减与干扰影响, 提升了信道传输稳定性。

该无线抄表系统含有以下优点:

● 电表抄录数据立刻、 正确, 系统传输容量大。

● 可对电表设备进行远程控制、 参数调整、 开关等控制操作。

● 安装、 维护方便, 不需要进行专门布线。

● 集中抄表范围广, GPRS网络覆盖范围广, WSN技术使扩容无限制。
系统关键功效
系统经过电能表RS-485总线数据接口或脉冲信号方法传输给采集器。采集器巡检各电能表RS-485总线数据或接收到多路脉冲信号后进行处理或计数, 并将结果存放。

采集器与集中器通信采取无线WSN模块, 采集器平时处于接收状态, 当接收到集中器操作指令时, 根据指令内容操作, 将本采集器相关数据经过无线WSN模块送至集中器。

集中器能够定时或实时对下辖采集器进行数据抄收, 并进行存放。当上级设备—管理中心计算机调用数据时, 则将所存放数据打包送上。管理中心计算机能够对集中器, 并经过集中器对采集终端进行多种操作。
关键模块功效
(1) 用户管理软件

管理软件对整个系统进行管理, 经过辖下集中器能够随时调用系统内任一表计数据, 并对数据进行处理。同时能够对系统内设备发出多种指令。其关键功效以下。

● 读取和设置多种计量数据、 管理参数。

● 费用统计、 查询、 备份、 报表、 收费单生成。

● 电能表管理: 设置电能表原始参数、 地址、 费率及其状态。

● 费率管理: 可任意设定多个费率。

● 小区管理: 对各小区设置通信参数。

● 用户管理: 管理和控制每个单位用量、 时间等; 管理用户结算方法等。

● 系统管理功效: 管理操作人员及其权限; 多种系统安装数据, 多种通信设置。

● 定时抄表功效: 对系统全部表计进行定时抄表, 天天最少抄一次, 抄表次数可设定并保留末次抄表数据。

● 实时抄表功效: 实时抄取任一表记目前数据及状态。

● 自动校时功效: 定时抄表时自动较正系统内装置时间。

● 断电功效: 用户违章时或欠费可切断电、 水、 气。

● 断线检测功效: 信号线接触不良或断线时, 系统自动显示。

● 防窃功效: 对系统内违章行为进行监督。

● 超载报警功效: 用户用量超出计量表最大值1.2倍时报警。

● 掉电数据保留功效: 系统或某设备断电时, 数据长久保留。
● 短路检测功效: 信号线短路时, 系统自动显示。

● 心跳监测功效: 对每个采集器、 集中器、 无线传输模块心跳数据进行实时监测。

● 短信报警功效: 当出现心跳数据异常或其她报警信息时, 将依据设置要求发短信至相关人员。

 (2) 数据采集模块
采集模块可采集8个表计电脉冲信号、 采集模块可轮巡采集16个数字式电能表并进行数据转换和存放。它作用是对用户表进行数据采集处理, 接收来自集中器发来多种操作命令, 向集中器回送表计数据。对声违章、 欠费用户实施警告和控制。

 (3) 集中器（TDR-05JJ）
集中器是整个系统桥梁, 用于终端管理、 数据缓存。集中器首先接收来自管理中心计算机多种操作命令并下传采集终端; 其次, 将采集终端多种信息回传管理中心计算机, 同时还存放所辖表记数据和相关参数, 并含有定时抄收采集终端（智能表）数据, 实时临视采集终端（智能表）工作状态等功效。

(4) 无线传感器网络模块
无线传感器网络模块包含终端模块、 路由器模块和数据集中器模块。终端模块是经过RS-485总线将采集器数据发送出去, 路由器模块是起到数据中转作用, 数据集中器模块是将全部没有线传感器网络数据集中, 并经过GPRS/CDMA网, 将数据远程传输到监控主机。其关键芯片使用CC2430单片机。

图4 ZigBee关键模块设计

 (5) CDMA/GPRS无线传输模块
CDMA/GPRS无线传输模块关键用于小区集中器或与供电企业管理计算机之间远程数据传输。
CDMA/GPRS无线传输模块就近与集中器RS-232端口或小区中心管理计算机串口直接相接, 经过CDMA/GPRS网络与供电局链接于互联网中心管理计算机进行数据交互。
总结
智能远程抄表系统节省时间、 人力、 物力、 提升工作效率, 降低物业成本, 正确立刻地将住户所使用电表数据显示出来, 为实现小区科学、 系统物业管理提供了有效处理方法。智能远程抄表系统关键是提供了一个控制信号采集和数据传输平台, 可远程对电表进行参数设置、 实时监控和故障判定。该系统可用于对水表、 气表等其她仪表远程监控。