（电路与系统专业论文）基于zigbee与gprs的远程无线抄表系统智能终端设计.pdf

摘要 摘要 对传统的手工抄表方式进行技术革命具有十分重要的现实意义， 如何实时、准确地将用户的用电数据送到供电部门的数据库，且能最 大限度减少抄表所需要的人力、物力，已经成为一个急待解决的问题。 采用z i g b e e 双向无线通信技术与g p r s 网络技术相结合可以实现远程 无线自动抄表，从而有效解决电能表数据的自动采集与远程传输。 本文基于z i g b e e 技术及g p r s 技术的基本原理，研究分析了 z i g b e e 物理层、m a c 层、网络层、应用层等各层协议、数据传输方 式及网络结构，并在8 0 2 1 5 4 层组网协议的基础上建立z i g b e e 网状 网络。通过调研分析z i g b e e 及g p r s 的解决方案，并考虑经济实用 性、调试方便性及缩短开发周期等要求，选用j e n n i c 的j n 5 1 3 9 单芯 片模块实现z i g b e e 网络的数据传输，采用西门子的g p r s 模块m c 3 9 i 实现数据的远程传输。 根据的功能不同，将终端分成采集器、中继器( 路由器) 及集中 器三部分来设计。采集器、中继器及集中器的z i g b e e 收发模块都是 在j n 5 1 3 9 的基础上通过扩展外围电路而设计的z i g b e e 模块，共同组 成一个网状的z i g b e e 网络，完成对电能表数据的采集、传输、转发 及汇总。集中器作为外界访问z i g b e e 网络的网关，是抄表系统终端 的核心单元。为了提高集中器运行速度及兼容性，选用3 2 位a r m 9 微处理器作为系统的处理器单元，考虑到集中器处理数据量较大及今 后抄表方式的升级更新，集中器模块还专门设计了存储器电路、以太 网通信电路、u s b 接口电路等。根据抄表系统实际需要，设计了一 套较完整的数据传输协议，并实现了远程传输对接。 利用设计完成的硬件资源、抄表数据协议和各终端模块测试程序 测试了在抄表系统的整体功能，结果表明实现了z i g b e e 网络的组建、 电能表数据的采集及远程传输、终端设备参数的修改等功能，达到终 端设计要求。 关键字：远程无线抄表系统；终端；z i g b e e ；g p r s ；数据传输协议 硕士学位论文 a bs t r a c t r e v o l u t i o nt ot h et r a d i t i o n a lw a yo fm a n u a lm e t e rr e a d i n gt e c h n o l o g y i so f g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i ti sau r g e n tp r o b l e mt ot r a n s m i tn i c e l y a n dr e a lt i m et h ee l e c t r i cp o w e rd a t at ot h er e l e v a n td e p a r t m e n t s i ti sa l s o i m p o r t a n tt om i n i m i z et h em a t e r i a l r e s o u r c e sa n dm a n p o w e r z i g b e e t e c h n o l o g ya n dg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g ya r e a d o p t e dt oc o n s t r u c tt h es y s t e mo fr e m o t ew i r e l e s sa u t o m a t i cr e a d i n g m e t e gt h u s ，i ti sr e a l i z a b l et oc o l l e c ta n dt r a n s m i tt h ee l e c t r i cp o w e rd a t a b a s e do nz i g b e ea n dg p r s ，p r o t o c o l sf o rp h y s i c a ll a y e r , m a cl a y e r , n e t w o r kl a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e ra r ea n a l y z e da n dt h ez i g b e em e s h n e t w o r ki se s t a b l i s h e du p o nt h e8 0 2 15 4n e t w o r kl a y e r p r o t o c 0 1 s c h e m e so f z i g b e e o rg p r sa n df a c t o r ss u c ha sc o s t ，p r a c t i c a l i t y , f a c i l i t y a n dt h ed e v e l o p i n gc y c l e ，j n 5139c h i po fj e n n i ei sc h o s e na st h ed a t a t r a n s m i t t i n gm o d u l eo fz i g b e en e t w o r ka n ds i e m e n sm c 3 9 ii sa d o p t e d a st h er e m o t et r a n s m i s s i o nm o d u l eo fg p r s a c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o no fd i f f e r e n t ，t e r m i n a lu n i tc o n s i s t so f c o l l e c t o r , r e p e a t e ra n dc o n c e n t r a t o r t h et r a n s c e i v e rm o d u l e so f t h ea b o v e t h r e ep a r t sa r ea l ld e s i g n e dt h r o u g he x p a n s i o no ft h ep e r i p h e r a lc i r c u i t s o nt h ej n 5139c h i p t h u s ，t h ez i g b e em e s hn e t w o r ki sf o r m e dt or e a l i z e c o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dg a t h e r i n gt ot h ed a t ao ft h ep o w e rm e t e r c o n c e n t r a t o ri st h ea c c e s s i n gg a t e w a yt ot h ez i g b e en e t w o r ka n di sa l s o t h ec o r em o d u l eo ft h ei n t e l l e c t i v et e r m i n a l t h e3 2 b i ta r m 9 m i c r o p r o c e s s o ri sc h o s e na st h ep r o c e s s o ru n i to ft h es y s t e mt oi m p r o v e t h e o p e r a t i n gs p e e da n d i t s c o m p a t i b i l i t y m e m o r yc i r c u i t ，e t h e r n e t c o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta n du s bi n t e r f a c ec i r c u i ta r ea l s od e s i g n e d s p e c i a l l yt oi m p r o v ec a p a c i t yo fd e a l i n gw i t hl a r g em o u n to fd a t aa n d u p d a t e as e to fd a t at r a n s f e r r i n gp r o t o c o li sp u tf o r w a r dt oa c h i e v e r e m o t et r a n s m i s s i o na n dd o c k i n g p e r f o r m a n c e so ft h es y s t e mi s t e s t e d ，b a s i n g o nt h e d e s i g n e d h a r d w a r er e s o u r c e s ，m e t e rd a t ar e a d i n gp r o t o c o la n dt e s t i n gs o f t w a r eo f t h ef u n c t i o n a lm o d u l e s r e s u l t ss h o wt h a t ，f u n c t i o n ss u c ha si n t e g r a l i t yo f t h e z i g b e en e t w o r k , d a t a c o l l e c t i o no ft h e p o w e rm e t e r , r e m o t e t r a n s m i s s i o na n dm o d i f i c a t i o nt o t h e p a r a m e t e r so ft h et e r m i n a l e q u i p m e n t s ，a n s w e rf o rt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n k e yw o r d sr e m o t ew i r e l e s sm e t e r r e a d i n gs y s t e m ，t e r m i n a l ，z i g b e e ， g p r s ，d a t at r a n s m i s s i o np r o t o c o l 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：面：醯日期：趣生l 年上月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名触导师签名秘日期牛年上月垄日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论弟一早三百下匕 远程智能抄表计量工作，关系着公用事业行业、能源供给企业的经营、管理 效益。传统的人工抄表，即由抄表人员每月逐户查抄电表，消耗大量的人力、物 力，而且采集数据的时间跨度大，采集数据的准确度低，无法满足“周期性、实 时性、准确性 的要求，采用传统的人工抄表方式已不能适应现代社会发展。“远 程自动化抄表系统 是现代化电力系统中不可缺少的重要组成部分，“远程自动 化抄表系统是指在电力网用户终端进行自动计量，并将计量数据周期性自动回 传至控制中心，由控制中心对数据进行记录分析，以完成后续的优化调度、控制、 计费等功能。远程自动抄表技术的应用经历了一个从无到有和循序渐进的发展过 程。目前的抄表系统主要有：有线抄表系统，掌上抄表系统和无线抄表系统。其 中有线抄表系统增加了综合布线的费用和难度，降低了系统的应用灵活性，这些 缺陷限制了有线抄表系统的推广和应用。掌上抄表系统需抄表部门用掌上抄表器 抄取数据，其自动化程度低。无线抄表系统采用无线收发设备传输数据，不需专 门架线，系统结构简单，可节省人力和物力，相对有线抄表系统和掌上抄表系统 更有应用优势【1 叫。随着无线通信技术的不断发剧5 硼，近年来出现了面向低设备 成本的无线连网技术，即z i g b e e 技术【7 训，采用这项新技术与g p r s 网络技术相结 合实现远程无线自动抄表，不仅为供电企业带来技术变革，也为广大用户的用电 消费带来许多便利。z i g , b e e 与g p r s 的无线传感器网络在环境监控、军事、医疗 健康、家庭智能监控和其他商业领域均有广泛的应用前景，已成为一项研究开发 的热点技术【m ”】。 1 1 1 电能自动抄表技术的发展 根据国家自动抄表系统标准【l9 】将整个自动抄表系统划分成三个层次，其中最 底层次是电能表层，规定电能表的计量特性、数据项以及电气性能指标；最高层 为用户层，规定了电能表能够为用户提供的服务以及用户端与电能表进行数据交 换的要求；中间层为数据传输协议层，规定了用户层与电能表之间以及相关设备 之间进行数据交换传输的通信协议，是整个自动抄表系统的核心内容。 自动抄表系统体系结构示意图如图1 1 所示，其中包括电能表、通信网络及 电能表进行各种数据交换的设备，分别介绍如下： 硕士学位论文第一章绪论 图卜1自动抄表体系结构 ( 1 ) 电能表：自动抄表系统中的电能表是指具有数据记录、存储以及交换 能力的电表仪器，根据使用场合不同，可以是工业用表或居民用表，其内部结构 可以不同。 ( 2 ) 通信网络：通信网络是指电能表和数据交换设备之间进行数据传输的 通道，根据需要可以采用不同形式，如本地红外通信、r s 2 3 2 通信、r s 4 8 5 通 信、电力载波通信、无线通信、宽带网络通信等。 ( 3 ) 数据交换设备：需要与电能表进行交换的设备统称为数据设备。数据 交换设备可分为三类：直接本地设备、本地设备和远方计算机设备。 直接本地设备是指在本地近距离直接与单台电能表进行数据交换的设备，主 要为各种手持设备，通信网络为红外通信、r s 2 3 2 通信、无线通信。本地设备 是指在本地一定范围内可以与一定数量的电能表进行数据交换的设备，主要为各 种数据采集处理设备。通信网络为r s 4 8 5 通信、电力载波通信、无线通信、宽 带网络通信。 电能自动抄表技术发展到今天，已从较早利用公用电话网络进行信息传输的 方式发展到有多种技术方案。常用的自动抄表系统按通信方式，可分为有线和无 线二种【2 眦1 1 。有线传输适用于集中的计量终端和距离较近的场所；而相对于有 线传输方式，无线传输更具有应用的灵活性。有线传输方式常见的有公共电话网、 有线电视网、r s 4 8 5 双绞线和电力线载波，无线传输方式主要有车载自动抄表系 统和g s m 抄表系统。 ( 1 ) 公用电话网自动抄表系统。利用电信系统铺设好的公共电话网作为载 体，只需在电能计量终端和工作主站加装调制解调器，利用电话网进行信号的传 输，是最早出现的电能自动抄表系统。该技术已经十分成熟，信号传输十分稳定， 而且经济可靠、简单方便。但这种方式受限于电话网的铺设场所，工作需要电信 行业的配合，主要应用在居民小区，对于处于野外场所一些工业用的电能计量， 将无法直接实施：若采用单独布线的方案，工作量较大，不仅增加了制作成本， 而且存在通道易遭破坏的问题。随着新技术的出现，使用该技术运用到实际现场 2 硕士学位论文 第一章绪论 的自动抄表系统已越来越少【2 2 1 。 ( 2 ) r s 4 8 5 的双绞线自动抄表系统。该方式通常是将多块表计的脉冲信号线 或r s 4 8 5 通信线接到一集中处理装置上，由该装置通过双绞线连接到集中处理 并向主站传送抄表数据的集中器，以总线的方式进行通信。该方式实现比较容易， 是在用户远程抄表实现的早期较为有效的方式。但随着应用的扩大，其布线复杂、 工程量大、维护困难、综合成本高等问题逐渐显现并难以解决，影响了其发展， 目前其应用范围较小【2 3 1 。 ( 3 ) 有线电视网自动抄表系统。同公共电话网抄表系统一样，该技术利用有 线电视网作为载体，同样会受到有线电视网布线的限制，需要其他部门的配合。 除此之外，由于有线网使用的特殊性，使得它在有线电视网使用时，存在不能进 行通信的问题，使得其实时控制受到影响，不能应变紧急情况的发生，居民远程 自动抄表( a m r ) 由于国内生产历史较短，没有大面积运行经验，应用范围大、 工况复杂，目前要达到实用要求还有一定困难，但小范围试用条件成熟。由于 a d r 系统包含各种部件，各部件的故障， 题，因此，a m r 的可靠性比电度表低， 包括表的问题都被视为a m r 系统的问 并且需要有专人管理和定期维护。 ( 4 ) 低压电力载波抄表系统。基于低压电力载波的智能化自动抄表系统已经 在广东、贵州、河南等地挂网运行】。它采用载波通讯技术，通过输电线路来 实现通讯。根据载体的传输电压的特点主要有电力载波通讯、配电线载波通讯和 低电压载波通讯三种。它的工作原理是将电能计量终端的各种数据通过采集终端 设备将数据调制后，通过电力线传送，由中心控制站在接收端再将其还原成数据 信号，进行调制接收，双向通信【2 湖6 1 。这种方式最大的优点是集抄表和传输为 一体，不需单独铺设线路，不涉及到其他部门的配合，仅由电力系统就能解决， 工作便利，节约资源【2 7 - 2 9 。由于是利用高压传输，还可以防窃电，是电能自动 抄表系统较有发展前途的一种抄表方式，但安装维护困难【3 0 1 。低电压载波通信 由于目前电网中的噪声太高，在低压线载波中对于使用电网的电压高低作为信号 通讯协议的系统来说，无疑会带来通讯的传输性能较差致使传输的误码率较高的 问题。而且目前由于技术上的原因使其传输距离受到一定的限制，一旦解决了通 讯传输性能问题，电力载波通讯技术的发展前景是十分广阔的。 ( 5 ) 车载自动抄表系统。该技术使用确定的频点，在一定距离内使用移动的 “车载 系统与电能计量终端以无线通信的方式进行通信。适用于计量终端较为 集中的场所。相对于使用抄表微机( 掌上电脑) 在电能计量终端进行非接触数据传 输的本地自动抄表技术而言，车载自动抄表系统有其速度快、效率高的优势。但 存在信息的传输依赖“车载的移动频率，不能在真正意义上做到实时读取数据 和进行实时监控。 3 硕士学位论文 第一章绪论 ( 6 ) g s m 自动抄表系统。该技术以短信的模式在g s m 网上发送信息，像手 机那样便利地实现信息的发送和接受。g s m 自动抄表系统需要在电能计量终端 和抄表工作主站安装无线发射器和数据采集器，目前技术成熟，且价格经济。由 于g s m 网所覆盖的范围十分广泛，能利用现有资源，在得到批准的使用频点后， 即可实现抄表信息交换。这种自动抄表系统解决了车载抄表系统的“车载 问题， 但也存在对于信号不好的时段，通信无法正常进行，使计量终端的实时控制受到 影响【3 1 3 3 1 。 根据近几年中国电力科学研究院配用电自动化系统设备检测实验室统计的 数据显示，送检产品中采用的通信方式8 4 是低压配电载波，1 4 是双绞线，2 是无线。这些数据也反映了这几种通信技术的现状。 1 1 2 远程无线抄表技术的发展 自动抄表系统主要由电能表、采集器、集中器、数据传输通道、主站系统构 成，通过网络还可以和供电局的营业收费系统相连实现抄表收费一体化。采用无 线抄表方式在布点时根据地域情况可采用星形、树形、线形、扇形等灵活的布点 结构。具有建网费用低、建设周期短、维护量小、抗灾能力强、不占用耕地、无 需查线检修、不受人为破坏、数据易传、抗干扰能力强等优点。尤其是架设不易 或数据通信越远，点越多时，更能显示出优异的性能价格比，既节约了架设明线 电缆的器材和人工费用，提高了工作效率，又减轻了维护人员的工作强度，避免 进户抄表给住户带来不便。能使当地的电力数据准确、及时传输到电力管理部门。 使用电力无线抄表系统后，为合理分配，测控用电量提供了科学管理的依据。较 之无线抄表，其他抄表技术均存在一定的缺陷。 ( 1 ) 4 8 5 总线抄表：施工布线工作量大，网线易受人为破坏，线路损坏后， 故障点不易查找，易受雷击和过电压的影响，传输距离短，网线长度不超过 1 2 0 0 聊。 ( 2 ) 红外抄表：系统抄表时需要工作人员到现场，用掌上机抄收采集器中存 储的电能表数据，然后返回主站，自动化程度低，且抄收距离也大受限制。 ( 3 ) 低压电力线载波抄表系统，影响电力线载波传输质量主要有两个因素： 一个是电力网络的阻抗特性及其衰减，另一个是噪声的干扰。第一个因素制约着 信号的传输距离，第二个因素决定着数据传输的质量。由于我国的电网在传输数 据过程中，经常会受无线电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰，导致传输数据错 码、丢码的情况，造成数据传输的结果与原表数据的误差。可见，低压电力线载 波抄表的可靠性差。 综上所述，无线抄表方式具有投资少、功能强、性能稳定、自动化程度高、 4 硕士学位论文第一章绪论 易于维护的特点。 纵览全球，无论是中国还是国际市场，电力公司在自动抄表系统方面积累的 经验比较丰富，也一直走在应用的最前列。经过m e t e r i n gc h i n a2 0 0 7 、 m e t e r i n gc h i n a2 0 0 8 以及a m rc h i n a2 0 0 7 三届国际高峰论坛和研讨大会， 很多行业人士对于意大利e n e l 电力公司、法国e d f 电力公司、巴西c a m 电力 公司以及香港c l p 中华电力等国际化的电力公司在自动抄表系统方面的策略、 应用和经验等有了较深刻的认识和理解，进而对欧洲、北美、南非、亚洲等国家 在自动抄表方面的规划有了更清晰的了解。 2 0 0 8 年3 月，“建设部”改名为“住房与城乡建设部”，意味着国家未来能够更 加集中监管、控制和协调房地产的发展，而“水电气三表集抄”正是现代房地产业 打造智能化小区不可或缺的一个亮点；此外，随着各行业部门面临节能降耗目标 的巨大压力，“成立国家能源部”的消息也在沸沸扬扬，一旦成为事实，新成立的 能源部可能会将电力、煤炭、油气、节能管理、能源规划、国际能源合作、能源 科技等纳入管理，水利部、国土资源部也有部分行政职能与能源有关，对于那些 盼望“今后能有一个统管水、电、气公用事业部门自动抄表的管理部门”的人来说， 无疑看到了一丝曙光。如何整合公用事业资源、实现节能减排最大化，自动抄表 无疑是最有效的技术手段之一。 从各种不同形式的远程抄表系统的发展看，随着无线技术的不断发展，无线 抄表方式无疑是最受管理方关注的。由于无线抄表系统具有组网快，无需人工干 预网路的维护管理，运行稳定，安全可靠等优势，能达到其他集中抄表方案无法 达到的效果，必将成为今后抄表系统发展的主流技术【州。 1 1 3z i g b e e 与g p r $ 在无线抄表系统中的应用 无线抄表系统是前端电能表与远端数据接收总站及用户的中转站，负责执行 协议转换功能，进行数据采集与传输和控制命令，是远程自动抄表中关键的一环。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线服务) 是g s m 基础上发展 起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，在嵌入式系统中应用非常广泛。由 于g p r s 通信网络实现了联网和漫游，使得利用网络传输数据无须再组建专用通 信网络。采用短信方式传输数据的系统应用将越来越广泛，使得以短信方式传输 控制命令及数据远程传输成为可锹3 ”。 z i g b e e 是近年来兴起的一种无线网络通信技术标准，主要在低成本、低功 耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网中应用。z i g b e e 标准基于8 0 2 1 5 4 协议栈而建立，具备强大的设备联网功能，支持三种主要的自组织无线网络类型， 即星型结构( s t a r ) 、网状结构( m e s h ) 和膜状结构( c l u s t e rt r e e ) ，特别是网状结构， 5 硕士学位论文第一章绪论 具有很强的健壮性汹1 和系统可靠性【3 1 1 。z i g a e e 无线通信用于抄表方案有如下 几个特点： ( 1 ) 网络自组织自管。通信节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管 理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发数据的多跳h 2 1 无线网络系统。 ( 2 ) 网络稳定性好。无线网络的拓扑结构可能会因为环境因素等情况使得传 感器节点发生故障或失效，造成无线通信链路变化。而节点与集中器之间有多条 通信路径，个别节点的失效不会影响整个网络的通信。节点与集中器之间的通信 动态地采用最优路径。在m e s h 网络中，甚至网关节点的失效也不会影响网络的 运行。 ( 3 ) 网络容量大。由于无线通信速度快，一般为几十k b p s 到几百k b p s ，加 上使用一些信道通信控制算法，比如c s m a c a 机制，网络能达到几万个节点的 容量。能满足台区，厂区，甚至一个地区集中抄表的需要。 ( 4 ) 安装维护方便。网络自组织自管理，完全不需要人工干预通信网络的配 置、管理。 ( 5 ) 抗干扰能力强。采用了直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e e ds p e c t r u m d s s s ) 技术，避免受到其他信号的干扰。 ( 6 ) 安全性好。提供芯片级加密，比如a e s l 2 8 、d e s 等，有效保证空中传 播的数据交换安全性。 ( 7 ) 功耗低。依z i g b e e 网站公布，以一般电池电力而言，z i g b e e 产品可使 用数月至数年之久，非常适用于那些需要一年甚至更长时间才需更换电池的设 备，这一特点也非常适合抄表系统。 g p r s 移动通信与新一代无线网络通信技术z i g b e e 相结合，可以有效解决 电能表数据的采集与传输，符合远程抄表系统的设计理念，从电力行业自动抄表 系统产品类型来看，基于z i g b e e 与g p r s 远程自动抄表系统正处于开发、试点 阶段，尚未用于实践，在抄表概念理解及系统设计方面还存在一些共性问题 【4 3 5 7 】。 1 2 国内外无线抄表技术研究概况 1 2 1 国内外自动抄表技术研究概况 国外对自动抄表技术的研究始于上世纪7 0 年代，1 9 8 2 年法国e d f 用 e u r l 0 1 系统实现对6 0 0 个大用户的数据采集，英国的t h o r n e m i 系统利用公 用电话网实现了自动抄表，同年瑞士l a n d i s g y r 的s c t m 规约用于瑞典的自动 6 硕士学位论文第一章绪论 抄表，1 9 8 5 年日本九州电力公司试用配电载波于远方读表和负荷控制，西德、 澳大利亚、美国等国家先后有a m r 系统投入运行。但由于投资大，上述系统仅 用于互联网络、大用户结算和部分居民a m r 试点。1 9 9 0 年以后，a m r 得到较 快发展，据不完全统计1 9 9 4 年美国装有3 1 4 0 6 3 个带a m r 部件的电度表，加拿 大魁北克电力系统装有6 4 0 0 0 个a m r 。另外为了满足美国加州电力市场i s o 方 案的要求，美国最大的电能计量计费系统( t m r ) 于1 9 9 8 年投入运行。在a m r 的 发展过程中，瑞士的l a n d i s g y r ，美国的i 仃o n 等是最有代表性的公司。 上世纪8 0 年代末9 0 年代初，中国开始了自动化抄表系统的试点工作。1 9 8 9 年全国第一套跨省网的电量计费系统在华北电网投入运行，北京供电局的电话抄 表系统在9 0 年代开始投入运行；从8 0 年代末期到9 0 年代全国各供电企业基本 建立了无线电电力负荷控制系统，其主要建设目的是控制负荷，但也逐渐用于大 用户的电能表抄表；1 9 9 4 年以色列居民集抄系统进入中国，全国各地供电企业 大多开展了低压电力载波技术试点。但由于仓促上马，试点效果不好，到2 0 0 1 年其应用处于停止状态。与此同时，随着电力市场化的开始，1 9 9 4 年华北电网 t m r 系统c 5 0 0 ( 瑞士l a n d i sg y r 的产品) 投入运行，1 9 9 5 年华中电网t m r 系统 c 2 0 0 0 ( 瑞士l a n d i sg y r 的产品) 投入运行，1 9 9 9 年华东电网t m r 系统a m v 一 9 0 ( 美国u t s 的产品) 开始建设【懿l 。到2 0 0 1 年几乎所有省级地区都已建成电能 量计量计费系统，但由于中国电力市场建设速度较慢，这些系统没有发挥应有的 效果。2 0 0 4 年现场用电管理终端作为负控和抄表需求的融合产品产生，并陆续 在浙江电网和广东电网大量推广使用，据报道广东电网公司大客户负荷管理系统 已启用。 1 2 2 国内外无线自动抄表系统研究现状 无线抄表在发达国家和地区早已盛行，不少国家已进入了实用化阶段( 其中 以美国和以色列研制的系统性能、质量为好，但由于价格昂贵，不太适合中国的 国情) 。随着无线技术不断发展与完善，我国也开始使用各种无线技术探索无线 抄表方案，其中具有代表性无线抄表方案有基于g p r s 的无线数据接入、基于 w l a n ( 无线局域网) 技术的无线接入、基于c f d a 技术的无线数据接入技术 以及z i g b e e 技术p 引。 g p r s 是通用无线分组业务的英文简称，g p r s 远程自动电抄表系统是利用 g p r s 公众网来实现电表数据的传输，作为g p r s 的一个用户来使用g p r s 的网 络资源。g p r s 作为一个成熟的传输网络，具有传输率大、频率利用率高、数据 传输可靠性好的特点，可以满足远程自动电抄表系统的需要但由于安装在每个 电表上的g p r s 终端价格昂贵，国内的价格在6 0 0 1 5 0 0 元之间，g p r s 终端功 7 硕士学位论文第一章绪论 耗也较大，并且从g p r s 无线远程自动电抄表系统投入使用开始，电表用户就需 要一直按数据流量向g p r s 运营商支付一定的费用，综合其安装、维护和使用成 本来看，在某种程度上反而超过了人工抄表，因此单一使用g p r s 实现远程抄表 很难广泛应用。 基于w l a n ( 无线局域网) 技术的无线抄表系统是在w l a n 技术的无线数 据接入系统中，每个“数据采集节点”上配置有基于8 0 2 1 1 的无线网卡，在“数 据处理中心 配置有无线路由器作为接入点( a c c e s sp o m t - - a p ) ，采集的数据通 过无线网卡和无线a p 之间“点到点 的信道实现数据的传输。这类系统是利用 成熟的w l a n 技术实现无线数据接入的一种解决方案，因所有采集数据节点到 a p 点是一跳就可以实现，因此系统的网络结构及运行配置较为简单。但因其工 作于2 4 g h z ( 目前中国国内只批准了这一w l a n 频点) 频段，电波的穿透能力 弱，一个无线a p 的有效传输覆盖半径约1 0 米1 0 0 米，信号受周围环境影响严 重( 例如，在通常的办公楼环境中，墙壁、天花板等均会造成w l a n 信号的较 大损耗，因此在工程上一般每个房间均需放置一个a p 才能达到较好的覆盖效 果) ，因此在楼宇内部、地下管线等实际应用环境中信号盲区较多，实现完全覆 盖的难度较大、成本较高。 基于c f d a ( c e l l u l a rf i x e d w i r e l e s sd i s t i la c c e s s ，微蜂窝固定无线数据接 入系统) 技术的无线抄表系统是一种新型的无线数据接入系统。该系统工作于 4 7 0 m 舷5 1 0 m 舷公共计量免申请频段，支持1 0 组共2 0 个频点的频率空间复 用及跳频技术，具有较高的频率利用效率和网络扩展性。此系统采用蜂窝结构的 网络覆盖方式，c f d a 节点的标准场地点对点通信距离为5 0 0 米，在每个蜂窝 小区范围内支持自组织多跳传输技术( a dh o c & m u l t ih o p ) ，使得每个蜂窝小 区的现实场地有效覆盖半径达到5 0 0 米2 0 0 0 米，较好地解决了网络覆盖盲区 问题；c f d a 提供了r s 2 3 2 ( t t l 2 3 2 、r s - 4 8 5 、标准2 3 2 ) 和u a r t 两种通用 的设备接口，可分别以“外挂”或者“嵌入方式与用户设备相连，具有良好的 通用性。但是网络自组织能力差，支持接入节点少，不适合大范围抄表系统。 z i g b 是2 0 0 4 年在国际上提出的概念，其目的是为了解决智能的传感器之 间的数据传递和相互之间的数据交换。z i g b e e 所遵循的标准为8 0 2 1 5 4 ， 该系 统分为一个主节点和若干个外围节点，一个主节点可以管理最多2 5 6 个外围节 点，主节点对各个外围节点的管理采用的是动态管理的方式，外围节点可以动态 加入。因此z i g b e e 技术很好地解决了网络组网管理、接入节点数、网络节点的 自动增加及删除、数据的可靠传输等其他无线抄表技术存在的问题。但由于 z i g b e e 为短距离通信网络，单一的z i g b e e 网络很难实现数据的远程传输。 通过以上分析可知，我国在无线抄表领域进行了多种方案的探索，取得了一 硕士学位论文 第一章绪论 定的效果，但每一种方式都存在不足，满足不了现代自动抄表的要求。本论文在 z i g b e e 短距离无线技术及g p r s 远程无线传输技术基础上提出了一种远程无线 抄表方案，此方案可实现无线网络自组网功能、数据可靠性传输及数据远程传输 等抄表系统所需的基本功能，而且可大大降低无线抄表成本。 由于对通信距离、通信速度、功耗、网络容量等的特殊要求，没有一个专门 针对集中抄表的规范，目前基于微功率无线通信的集中抄表方案从组网方案标准 来分，分为两种，一种是基于标准的z i g b e e 技术的方案，一种基于为方案提供 自定义的协议规范。目前国内采取第一种方案的优势在于有标准的通信协议支 持，同时也方便与不同厂家设备之间的互联互通。但是也存在一些问题，如目前 大多应用的工作频段为2 4 g h z ，信号波长短，通信距离有限；协议栈比较复杂， 需要较多资源；而后一种方案缺乏标准，不同厂家的通信芯片特性、协议方案不 一致，不利于设备的替换。 目前国家已经出台了针对微功率无线抄表的无线电使用规定，对通信模块的 工作频率、有效发射以及其他参数有了相关规定。同时为规范行业发展，对通信 协议也即将制定相应的规范。 无线抄表方案的推广现在处于小范围试点的状态，比如在山东、青海、云南 等多个省市的地区进行试点。从实际的应用情况来看，能满足实用化要求。 1 3 论文的主要工作及意义 目前远程自动抄表在我国有了一定的应用，但由于没统一的标准，不同生产 厂家之间的系统互不兼容，而且通信协议也不一致，导致抄表系统在我国难以得 到大规模推广应用及有效管理。鉴于目前国内外远程无线抄表系统的存在的问 题，本文提出了一种基于z i g b e e 技术与g p r s 技术相结合的远程无线抄表终端 系统，主要工作有以下几点： ( 1 ) 分析多种无线自动抄表的优缺点，通过比较选择z i g b e 圮技术及g p r s 技术相结合来实现电能表的采集及远程传输。 ( 2 ) 研究z i g b e 圮网络结构，在8 0 2 1 5 4 层组网协议的基础上建立z i g b 无线抄表网络。 ( 3 ) 结合远程无线抄表系统智能终端的特点，设计各模块硬件电路，包括 采集器、中继器及集中器三大功能模块。 ( 4 ) 在z i g b e e 数据传输协议的基础上，设计一套较实用的远程无线抄表 协议及数据传输格式。 ( 5 ) 完成各功能模块的软件设计。 ( 6 ) 利用设计的硬件电路搭建测试平台，测试系统的可靠性及实用性。 9 硕士学位论文第二章远程无线抄表系统的技术摹础 第二章远程无线抄表系统的技术基础 2 1z i g b e e 技术 2 1 1z i g b e e 概述 z i g b e e 是一组基于i e e e 批准通过的8 0 2 1 5 4 无线标准【6 3 】而提出的，有关组 网、安全和应用软件方面的技术标准。i e e e 无线个人区域网的i e e e 8 0 2 1 5 4 技术 标准是z i g b e e 技术的基础【6 4 1 。z i g b e e 并不只是i e e e 8 0 2 1 5 4 的名称，i e e e 一般只 处理低级的m a c 层和物理层协议，z i g b e e 联盟对其网络层协议和a p i 进行了标准 化。 z i g b e e 技术主要应用在短距离范围内以及数据传输速率不高的各种电子设 备之间的通信，非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输。其典型的 传输数据类型有周期性数据( 如传感器) 、间歇性数据( 如照明控制) 和重复低反应 时间数据( 如鼠标) 。其目标功能是自动化控制，采用跳频技术，使用的频段通常 为2 4 g h z ( i s m ) 、8 6 8 m 眈( 欧洲) 及9 15 膨眈( 美国) 。这些频段均为免执照频段， 有效覆盖范围是1 0 - - 7 5 m 。当网络速率降低到2 8 黼时，传输范围可以扩大到 1 3 4 m ，具有更高的可靠性。 z i g b e e 的主要技术特点： ( 1 ) 数据传输速率：1 0 k b s 一2 5 0 k b s 。 ( 2 ) 功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到 两年。 ( 3 ) 成本低：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，成本大为降低。 ( 4 ) 网络容量大：每个z i g b e e 网络可支持2 5 5 个设备。 ( 5 ) 时延短：通常时延都在1 5 - 3 0 m s 之间。 ( 6 ) 提供了数据完整性检查功能，采用a e s 1 2 8 加密算法。 ( 7 ) 有效范围小：有效覆盖范围1 0 一, 7 5 m 之间。 ( 8 ) 使用频段为免执照的2 4 g h z 、8 6 8 朋舷( 欧洲) 及9 1 5 肱融( 美国) 。 2 1 2z i g b e e 协议栈 z i g b e e 技术是一种具有统一技术标准的短距离、低速率的无线通信技术，其 物理层和媒体访问控制层协议由i e e e8 0 2 1 5 4 标准规定，网络层和应用层协议则 n h z i g b e e 技术联盟制定。 1 0 硕士学位论文 第二章远程无线抄表系统的技术基础 1 z i g b c e 协议的分层结构 z i g s c c 标准采用分层结构，每一层为上层提供一系列特殊的服务，如数据 实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他服务。所有的服务实体都通过 服务接入点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t 缩写为s a p ) 为上层提供接口，每个s a p 都支持 一定数量的服务原语来实现所需功能。 z i g b e e 标准的分层架构是在开放系统互联模型( o s i ) 即七层模型的基础上 根据市场和应用的实际需要定义的。其中i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准定义了底层、 物理层( p h y s i c a ll a y e r 缩写为p h y ) 和媒体访问控制层协议( m e d i u ma c c e s s c o n t r o ls u b l a y e r 缩写为m a c ) 。z i g b c c 联盟在此基础上定义了网络层( n e t w o r k l a y e r 缩写为n w g ) 、应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r 缩写为a p l ) 架构。 z i g b c c 协议的体系结构如下图所示。其中p h y 层主要功能包括启动和关闭 无线收发器、信道能量检测、链路质量检测、信道选择、空闲信道评估( c c a ) p a 及通过物理信道对数据包进行发送和接收等。 m a c 层主要实现信标管理、信道接入、时限管理、发送与接收帧结构数据、 提供合适的安全机制等。 网络安全层主要用于z i g b e e 网络的组网连接、数据管理和网络安全等，应 用层主要为z i g b e e 技术的实际应用提供一些应用框架模型。z i g b e e 分层结构如 图2 - 1 所示。 应用汇聚层 j l 应用接口 网络层 数据链路层 - 协议 l i e 层 l 眦层 i z e i 2 1 5 物理层 l + 一， 图2 - 1z i g b e e 协议的分层结构 2 z i g , b e e n 络拓扑结构 z i g , b e e n 络可以实现三种网络拓扑形式：星形、树形、网形。 ( 1 ) 星形拓扑 星形拓扑是最简单的一种拓扑形式包含一个协调器( c o - o r d i n a t o r ) 节点和 一系列的终端( e n dd e v i c e ) 节点。每一个终端节点只能和协调器节点进行通信。 如果需要在两个终端节点之间进行通信必须通过协调器r 节点进行信息转发。这 颈学也论文第= 章逗程无缱抄表系统的技术基础 种拓扑形式的缺点是节点之间的数据路由只有唯一的