基于无线传感器网络的远程智能抄表系统设计

无线传感器网络

无线传感器网络技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术。它支持3种主要的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。网状网是一种高可靠性的Ad Hoc网络，网状网的拓扑结构如图1所示。


图1 WSN网状网络结构图

本文研究的基于无线传感器网络集中抄表系统采用网状网结构的无线传感器网络技术，实现用户采集器与集中器间的数据通信，通过 CDMA/GPRS网络实现集中器与抄表中心之间的数据传输。

ZigBee技术

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，IEEE 802.15.4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，IEEE 802.15.4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连互通； 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，即星状结构、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。

系统结构

GPRS网络是覆盖范围广，性能较为完善的无线网络，GPRS通信网本身具有较强的数据纠错能力，数据传输率较高可达 128Kb/s能够保证数据传输的可靠性和实时性。用ZigBee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低；采用GPRS网络进行数据传输的模块体积小、功耗低，适合作为无线传感器网络的数据节点，ZigBee技术、GPRS网络数据传输与传感器技术相结合组成新兴的无线传感器网络。

WSN网络集中抄表系统整体采用分布式体系结构，用电管理中心与集中器之间(上层)数据的采集采用星状结构；集中器与采集器之间(下层)数据的采集采用网状网结构。无线抄表系统总体结构如图2所示。


图2 无线抄表系统总体结构图

上层通信以电力局中心的系统主站为中心，通过GPRS/CDMA网络与分散于各物业小区的集中器连接，形成1对N的连接形式，实现集中器和数据中心系统的实时在线连接；下层通信包括集中器对电表参数的采集、存储、转发，以及转发上位机下达的指令和对电表进行控制操作等。出于成本与通信可靠性的考虑，设计了采集器。每栋居民楼设置一个采集器，电表通过RS-485总线与采集器进行通信，采集器通过WSN终端节点与小区中心的WSN中心节点及集中器进行通信。示意图如图3所示。


图3 无线抄表系统总体示意图

采用低成本的WSN组网技术，结合GPRS/CDMA网络组建了一个无线传输信道，缩短了单段的传输距离，削弱了信道衰减与干扰的影响，提高了信道传输的稳定性。

该无线抄表系统具有以下优点：

● 电表抄录数据及时、准确，系统的传输容量大。
● 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。

系统主要功能

系统通过电能表的RS-485总线数据接口或脉冲信号方式传输给采集器。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，并将结果存储。

采集器与集中器的通信采用无线WSN模块，采集器平时处于接收状态，当接收到集中器的操作指令时，按照指令内容操作，将本采集器有关数据通过无线WSN模块送至集中器。

集中器可以定时或实时的对下辖的采集器进行数据抄收，并进行存储。当上级设备—管理中心计算机调用数据时，则将所存储的数据打包送上。管理中心计算机可以对集中器，并通过集中器对采集终端进行各种操作。

主要模块功能

(1) 用户管理软件

管理软件对整个系统进行管理，通过辖下的集中器可以随时调用系统内任一表计的数据，并对数据进行处理。同时可以对系统内设备发出各种指令。其主要功能如下。

● 读取和设置各种计量数据、管理参数。
● 费用的统计、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：可任意设定多种费率。
● 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的用量、时间等；管理用户的结算方式等。
● 系统管理功能：管理操作人员及其权限；各种系统安装数据，各种通信设置。
● 定时抄表功能：对系统所有表计进行定时抄表，每天最少抄一次，抄表次数可设定并保留末次抄表数据。
● 实时抄表功能：实时抄取任一表记当前数据及状态。
● 自动校时功能：定时抄表时自动较正系统内装置的时间。
● 断电功能：用户违章时或欠费可切断电、水、气。
● 断线检测功能：信号线接触不良或断线时，系统自动显示。
● 防窃功能：对系统内违章行为进行监督。
● 超载报警功能：用户用量超过计量表最大值的1.2倍时报警。
● 掉电数据保留功能：系统或某设备断电时，数据长期保留。
● 短路检测功能：信号线短路时，系统自动显示。
● 心跳监测功能：对每个采集器、集中器、无线传输模块的心跳数据进行实时监测。
● 短信报警功能：当出现心跳数据异常或其他报警信息时，将根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个表计的电脉冲信号、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储。它的作用是对用户的表进行数据采集处理，接收来自集中器发来的各种操作命令，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）

集中器是整个系统的桥梁，用于终端管理、数据缓存。集中器一方面接收来自管理中心计算机的各种操作命令并下传采集终端；另一方面，将采集终端的各种信息回传管理中心计算机，同时还存储所辖表记的数据和有关参数，并具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）的工作状态等功能。

(4) 无线传感器网络模块

无线传感器网络模块包括终端模块、路由器模块和数据集中器模块。终端模块是通过RS-485总线将采集器的数据发送出去，路由器模块是起到数据中转作用，数据集中器模块是将所有无线传感器网络数据集中，并通过GPRS/CDMA网，将数据远程传输到监控主机。其核心芯片使用CC2430单片机。


图4 ZigBee核心模块设计

(5) CDMA/GPRS无线传输模块

CDMA/GPRS无线传输模块主要用于小区集中器或与供电公司管理计算机之间的远程数据传输。

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的串口直接相接，通过CDMA/GPRS网络与供电局链接于互联网的中心管理计算机进行数据交互。