（电路与系统专业论文）基于zigbee技术的远程抄表系统的设计与实现.pdf

t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e m b a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y h u a n gl i j u n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 5 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n 西n e e r i n g c i r c u i ta n ds y s t e m i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i uh o n g l i a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者虢冱矛l 簪 眺别年厂月玑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：加，f 年厂月幻日 日期：阳fj 年厂月加日 基于z i g b e e 技术的远程抄表系统的设计与实现 摘要 远程自动抄表系统是目前电力运营商通过远程监控、电量采集和分析、传输 处理的远程实时监控系统。论文是在现有的远程自动抄表系统和目前国内外应用 现状的基础上，结合有线和无线信号传输方式、实施的难易程度及运行后的维护 难易等特点的情况下，提出了一种比较方便的、有效的抄表系统，即基于z i g b e e 的远程抄表系统。 本设计提出的基于z i g b e e 的远程抄表系统是一种基于射频收发芯片c c l l 0 0 的无线收发系统，该系统通过分散在各小区的各单元等的无线设备组建z i g b e e 网络实现数据通信，将采集的电量传输给监控中心进行处理分析。整个系统包括 监控中心、集中器、采集器和电能表四部分。集中器是整个网络的中心节点，在 上层信道中，通过g p r s 网络与主控中心进行通信，在下层信道中，通过c c l l 0 0 无线收发芯片与采集器之间组建z i g b e c 网络来实现通信。监控中心和多个集中器 之间组建的网络拓扑结构为星状网络，集中器和多个采集器组建的网络可以为星 状、树状或网状等拓扑结构，集中器和采集器通过无线方式进行通信。 基于z i g b e e 的远程抄表系统与传统的无线抄表系统相比，其网络拓扑结构和 通信协议更复杂，但使用的z i g b e e 协议是基于低速率无线个人局域网的物理层和 媒体接入控制协议i e e e8 0 2 1 5 4 协议，该协议工作在8 6 8 m 、9 1 5 m 、2 4 g h z 的 i s m 频段上，数据传输速率最高可达2 5 0 k b p s ，而且z i g b e e 无线技术适合于低速 率、复杂网络、低功耗和低成本的网络，能够满足无线抄表对数据传输的速率、 节点个数、传输距离的要求，而且可以降低无线抄表的能耗、成本、以及提高无 线抄表的可靠性和安全性的要求。 最后，利用现有的实验条件搭建了一个远程自动抄表系统硬件平台，对该远 程抄表系统进行了模块的软硬件测试，实验完成了点对点和星状拓扑结构的节点 加入网络过程及数据通信的测试，测试结果验证了模型和协议的可行性。 关键词：远程自动抄表系统；通信协议；z i g b e e 网 络；集中器；采集器 i 硕士学位论文 a b s t r a c t r e m o t ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mi st h er e m o t e a n dr e a l - t i m ep r o c e s s c o n t r o l s y s t e mb yw a yo fp o w e r d a t aa c q u i s i t i o n ，a n a l y s i s ，a n dt r a n s m i s s i o n p r o c e s s i n g b a s e do nz i g b e e ，t h i sp a p e rp r e s e n t sam o r ec o n v e n i e n ta n de f f e c t i v e r e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e m i tb a s e so nt h ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mi n c u r r e n tt i m e sa n dt h ea p p l i c a t i o ni no u rc o u n t r ya n do u t s i d e a n da l s oi ti n v o l v e st h e w a y so fs i g n a lt r a n s m i s s i o n 一一b o t hw i r e da n dw i r e l e s s ，t h ee a s eo fi m p l e m e n t a t i o n ，a n d t h ee a s e0 fm a i n t e n a n c ce t c r e m o t ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，b a s e do nz i g b e e ，b e l o n g st o t h e w i r e l e s st r a n s c e i v e rs y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h ec c i1 0 0r ft r a n s c e i v e rc h i p ；t h i s s y s t e mr e a l i z e sw i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n sb yw a yo fz i g b e en e t w o r kw h i c hi s c o n s t r u c t e db ym o u n t so fw i r e l e s se q u i p m e n t ss p r e a di ne v e r yu n i to fd i s t r i c t ，a n di n t h i sw a yi tt r a n s p o r t st h ep o w e rd a t at ot h em o n i t o r i n gc e n t e rf o ra n a l y s i s t h es y s t e m c o n t a i n st h em o n i t o r i n gc e n t e r ，t h ec o n c e n t r a t o r ，t h ec o l l e c t o ra n dt h ei n t e l l i g e n t a m m e t e r t h ec o n c e n t r a t o ri st h ec e n t e rn o d eo ft h en e t w o r k ：o nt h eo n eh a n d ，i t c o m m u n i c a t e sw i t ht h ec o n t r o lc e n t e rt h r o u g ht h eu p p e rc h a n n e lb yt h ea i d eo fg p r s n e t w o r k ；o nt h eo t h e rh a n d ，i tm a k e sp o s s i b l et h ec o m m u n i c a t i o nt h r o u g ht h el o w e r c h a n n e lo nt h eb a s i so ft h ez i g b e en e t w o r kw h i c hi sc o n s t r u c t e db yt h ec c l1 0 0r a d i o t r a n s c e i v e rc h i pa n dt h ec o l l e c t o r b e t w e e nm o n i t o r i n gc e n t e ra n dc o n c e n t r a t o r ，t h e s t a r l i k en e t w o r ki sp r e s e n t e d f o r m e db yc o n c e n t r a t o ra n dc o l l e c t o r ，t h ec o n s t r u c t i o n o fn e t w o r kc a nb es t a r l i k e ，t r e e - l i k eo rm e s h l i k e t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ，a n d c o n c e n t r a t o ra n dc o l l e c t o rr e a l i z ec o m m u n i c a t i o nb yw i r e l e s s r e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e m ，b a s e do nz i g b e e ，i sm o r ec o m p l e xi nt o p o l o g i c a l s t r u c t u r ea n dp r o t o c o lt h a nt h et r a d i t i o n a lw i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e m ；h o w e v e r ， t h ez i g b e ep r o t o c o l ，f i r s t l y ，i sb a s e do nt h ep h y s i c a ll a y e ro fl o w r a t ew i r e l e s sp a n a n dm e d i aa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o lo fi e e e8 0 2 1 5 4 ；t h ep r o t o c o lw o r k si nt h ei s m b a n do f8 6 8 m ，9 1 5m ，a n d2 4 g h z ；i t sr a t eo fd a t at r a n s m i s s i o ni su pt o2 5 0 k b p s s e c o n d l y ，t h ew i r e l e s st e c h n o l o g yo fz i g b e ec a nm e e tt h er e q u i r e m e n t s o fd a t a t r a n s m i s s i o nf r e q u e n c y ，t h en u m b e ro fn o d e s ，t r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei nt h en e t w o r k so f l o w e r - f r e q u e n c yo ft r a n s m i s s i o n ，c o m p l i c a t i o no fc o n s t r u c t i o n ，l o w e rd i s s i p a t i o no f p o w e r ，a n dl o w e rc o s t ；a n di t c a nr e d u c eb o t ht h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ec o s to f t h ew i r e l e s sm e t e rr e a d i n ga n da l s oi m p r o v e si t sr e l i a b i l i t ya n ds a f e t y 1 l l i naw o r d ，t h i sp a p e r ，b a s e do ne x i s t i n ge x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t r yt o a n a l y z e t h eb u i l d i n go ft h eh a r d w a r ef o rr e m o t em e t e rr e a d i n g s y s t e ma n dt h et e s to fh a r d w a r e a n ds o f t w a r em o d u l eo fi t t h e r ea r ct w ok i n d so fn e t w o r k s s t r u c t u r e s ，i n c l u d i n g p o i n t - t o 。p o i n ta n ds t a r l i k et o p o l o g i c a l t h i sp a p e rh a sf i n i s h e dt h et e s tt h ep r o c e s so f t h e i rn o d e s j o i n i n gt h en e t w o r ka n dd a t ac o m m u n i c a t i o n t h ef i n a lr e s u l t sv e r i f yt h c f e a s i b i l i t yo ft h em o d u l ea n dt h ep r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：r e m o t ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ； z i g b e en e t w o r k ；c o n c e n t r a t o r ；c o 1 l e c t o r i v 目录 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 远程抄表技术概述l 1 2 国内外研究现状及发展l 1 3 现有抄表方式及其比较2 1 3 1 人工抄表方式2 1 3 2i c 卡预付费抄表方式2 1 3 3 有线抄表方式：j 3 1 3 4 无线抄表方式4 1 4 几种短距离无线通信技术的比较4 1 4 1h o m e r f 技术4 1 4 2 蓝牙技术5 1 4 3z i g b c e 技术5 1 5 本课题的研究背景及意义6 1 6 论文内容安排6 第2 章远程抄表系统的技术基础。8 2 1z i g b e e 技术简介8 2 1 1z i g b e e 网络关联9 2 1 2z i g b e e 协议栈9 2 1 3z i g b e e 网络拓扑结构1o 2 2z i g b e e 技术在远程抄表系统中的应用1 1 2 3 嵌入式系统简介1 2 2 4 电能表简介1 3 2 4 1 电能表技术参数1 3 2 4 2 电能表技术功能1 3 2 4 3 电能表的基本结构和工作原理1 4 2 5 本章小结15 第3 章远程抄表系统总体方案设计1 6 3 1 系统需求分析1 6 3 1 1 市场需求1 6 3 1 2 技术需求：1 6 3 2 系统总体结构设计1 6 3 3 系统特点及工作过程描述1 8 3 3 1 系统特点1 8 3 3 2 系统工作过程1 9 3 4 采集器的设计方案及元器件选型1 9 3 4 1 采集器的设计方案1 9 3 4 2 无线收发芯片选型2 0 3 4 3c c l l 0 0 芯片特点2 l 3 4 4f t l l 0 0 2 3 2 收发模块2 l 3 5 集中器的设计方案及元器件选型2 3 3 5 1 集中器的设计方案。2 3 3 5 2 芯片选型j ：2 3 3 5 3g p r s 模块选型2 3 3 6 本章小结2 4 第4 章远程抄表系统收发模块的硬件电路设计2 5 4 1 采集器主要功能模块的硬件电路设计2 5 4 1 1 采集器的工作过程2 5 4 1 2 射频收发模块电路2 5 4 1 3 时钟电路j 。2 7 4 1 4 复位电路2 8 4 1 5 收发数据显示电路2 8 4 1 6 串口电路2 9 4 1 7 按键电路2 9 4 1 8 电源电路3 0 4 2 集中器主要功能模块的硬件设计3 0 4 3 本章小结3 2 第5 章远程抄表系统的通信软件设计3 3 5 1 软件开发环境3 3 5 2 远程抄表网络的拓扑结构3 3 5 3 远程抄表网络通信协议实现3 4 5 3 1 协议原语3 5 5 3 2 数据结构的组织3 6 硕士学位论文 5 4 远程抄表系统组网过程3 8 5 5 电能表与采集器的接口通信4 0 5 5 1 采集器与电能表通信的数据格式4 0 5 5 2 采集器与电能表的通信过程4 1 5 6 集中器与采集器的数据通信实现4 2 5 7 本章小结4 5 第6 章远程抄表系统的基本功能测试4 6 6 1 系统测试平台搭建及模块软硬件调试4 6 6 1 1 系统测试平台搭建4 6 6 1 2 模块软硬件调试4 7 6 。2 单点对单点通信测试4 8 6 3 星型网络通信测试5 0 6 4 本章小结5 2 总结与展望5 3 参考文献。：5 5 致谢5 8 附录a ( 攻读学位期间发表的学术论文) 5 9 附录b ( 攻读学位期间参与的科研项目) 6 0 附录c ( 无线抄表采集器和集中器实物图) 6 1 v i i 基于z i g b e e 技术的远程抄表系统的设计与实现 1 1 远程抄表技术概述 第1 章绪论 随着建设部 2 0 0 0 年小康型城乡住宅科技产业工程城市示范小区规划设计导 则( 修改稿) 中提出的“推广应用户外计量( 含水、电、暖、燃气表) 技术打和 中 国住宅产品发展纲要中提出的“实现方便查表，不干扰住户，使大量人工查表 工作逐步过渡到数字化传送，开发智能化的水、电、气、热计量装置及接口箱框 相关政策的出台，新建住宅需要全部安装分户计量表，现有建筑也需要逐步改造 为分户计量，并分户安装计量表。远程智能化抄表成为此系统工程重要的组成部 分，将起着不可低估的作用。住宅小区中每个住户家中的计量表( 水表、电表、煤 气表、热量表等) ，其安装位置各异，有些表( 如电表) 需要集中安装，有些表( 如 水表) 却需要分散在住户家中，这样就给管理部门的抄表统计工作带来麻烦。如 果逐户抄表时要耗费很多人力和时间，而且入户抄表很难一次完成，有时只能估 计。集中式抄表管理系统将使这些问题成为历史f 1 1 。 远程抄表的特点【2 1 ： ( 1 ) 方便抄表工作。远程抄表提供了电能表的计算机管理，无需人工逐户抄 表。所有住户表计的计量值将由中心统一抄取。抄一只表不到1 秒钟，省时省力。 ( 2 ) 系统稳定、采集数据迅速。远程抄表监控中心随时可以对电表数据进行 采集并进行分析。也可以方便的对采集器、设备和系统进行监控并可以方便的上 报异常情况，避免带来过多的经济损失。同时也给电网商业化运营提供技术支持。 ( 3 ) 保证原始数据的唯一性。远程抄表系统设计能够实现电能量数据的唯一 性及不可修改性。在整个抄表系统中，采集器只能读取原始数据，不能对采集到 的数据进行修改，这就保证了抄表数据的唯一性。 1 2 国内外研究现状及发展 国外发达国家在远程抄表方面的研究比较早，目前自动抄表系统的理论和技 术目前已经比较成熟，比如在欧洲、美国、日本等国家基本都实现了自动远程抄 表。美国早在7 0 年代已经使用远程抄表方法，该方法是在每块电能表内安装一块 微处理芯片，负责收集和存储电表电量，例外还安装一个无线收发设备，而电力 抄表员通过持车载无线抄表器，对各个小区电表进行集中抄收i ，i 。8 0 年代，美国 出现能源危机，在欧洲电力负荷控制系统的基础上研制出载波电力负荷监控及远 程抄表系统。在这段时间，以色列研制出低压电力载波线抄表系统，并于1 9 9 3 年来华进行技术交流【们。 硕士学位论文 国内远程抄表相对国外起步比较迟，目前有很多的公司对电力线载波抄表技 术有相对的掌握、开发，全国有很多地区已经使用了电力线载波抄表，如福星晓 程、青岛东软、湖南威胜仪表、深圳长城开发科技等电力仪表供应商和软件开发 公司，都建立相对比较成熟的电力载波抄表的通信模型，并提供开放的协议，如 ：青岛东软载波通信协议、福星晓程载波通信协议等。除此之外，国内在无 线方面也基本掌握无线集中抄表系统，如浙江天地人、上海桑锐电子科技等科技 公司采用无线传感网络技术结合c d m a g p r s 技术研发了新一代远程无线集抄系 统，很好地解决上下段信道的数据传输问题，采集系统真正做到了远程采集、实 时采集、高性价比【5 1 。 1 3 现有抄表方式及其比较 1 3 1 人工抄表方式 随着国家住宅发展推行的，要求“一户一表”的情况，国家住宅用户电表数量 迅速增加，导致需要大量的抄表人员。国内已经使用的几十年的传统人工抄表方 式无法满足需求，：而且相对自动抄表来说存在很多弊端： ( 1 ) 工作量大，运营成本高。需要抄表人员到每家每户对电表进行抄收，需 要大量的人力和物力。 ( 2 ) 出现漏抄、误抄的概率大，出错率高。通过人工抄收、计算，可能会出 现有些电表漏抄，甚至在分析计算的时候可能出现错误。 ( 3 ) 工作效率低。抄表人员对一个小区的电表完成抄收可能需要一天的时间， 甚至更长，相比于自动抄表来说效率是极低的。 ( 4 ) 无法实时，准确的统计数据。人工抄表方式在电力运营公司下达抄表命令 后，需要非常长的时间完成整个区域的电表抄收，无法达到抄表的实时性。无法 跟自动抄表相比。 现行的人工抄表、人工收费、手工结算方式，会造成抄表的效率很低、导致 抄表数据误差很大，而且住宅用户时有发生窃水、窃气、窃电、作弊、拒交费的 现象，造成住宅用户费用不能及时准确的收缴。且该抄表方式已不适应企业现代 化管理的要求。 1 3 2i c 卡预付费抄表方式 随着电子技术的发展，9 0 年代初出现了i c 卡预付费抄表方式。它采用先付 费后使用的方式对管理部门较为有利，同时不需要现场抄表，解决了部分人工抄 表的问题。节省大量人力，解决了收费问题。 但相比于远程抄表来说也存在很多问题： ( 1 ) 容易损坏。i c 卡表具直接与用户接触，极易造成人为破坏，导致无法使用。 ；1一 基于z i g b e e 技术的远程抄表系统的设计与实现 ( 2 ) 无法实现监控。l c 卡预付费抄表不能完全解决盗用，抄表线路、设备出现 故障等问题。 ( 3 ) 充值不方便。预付费抄表方式无法准时的知道预交费快使用完、无法及时 缴费，造成无法正常使用电等情况。 1 3 3 有线抄表方式 有线抄表方式包括电力载波线、r s 4 8 5 方式和专线集中抄表等方式，各种有 线抄表方式完全具备ic 卡抄表方式的优点，而且还可以达到i c 卡抄表方式无法 达到的功能。这几种有线抄表方式指充分利用电力载波线网络、公共交换电话网 络、有线电视网络、r s 4 8 5 总线网络等现有网络，实现将电表数据传送到监控中 心。有线抄表方式的主要优点包括能够实现实时抄收电表数据，达到实时监测、 实时控制的效果，并且可以检测出设备遭到非法破坏、非法使用的情况。相对于 i c 卡抄表抄表方式来说，其抄表的速度快、需要的抄表人员少，能够达到抄表高 效率、准确性的情况。这几种有线抄表方式的主要特点1 6 i ： ( 1 ) 电力载波线方式：每块电表中有一个模块完成对电能量的采集和处理，并 可以通过低压配电线将电能表的数据传输给同一低压配电网上的数据集中器，然 后通过采集器或公用电话网将收集到的电量数据送给监控中心。但是，电力载波 线相对于无线远程抄表信号传输方式来说，其因变压器或者通信设备的阻抗相对 比较小，对传输信号衰减比较大，不利于信号的传输。以及每家每户都装有家用 电器，而家电在启动的瞬间负荷变化比较大，使得通信设备难以设计匹配电阻。 所以，电力载波线抄表系统存在不确定干扰因素多、通信误码率较高，不适合其 它行业【7 l 。 ( 2 ) r s 4 8 5 方式：在r s 4 8 5 抄表系统中，一个采集器通过r s 4 8 5 总线采集 总线上几十块电能表的数据，采集器通过电话线或4 8 5 总线将采集的数据传送给 集中器，并且可以通过集中器级联的方式将大区域范围的数据传输给供电企业的 监控中心，r s 4 8 5 抄表系统的特点是：数据传输速度快，可以稳定、可靠的工作， 且通信的质量好，但是该方式的抄表相对与无线远程抄表来说，其布线比较麻烦， 而且通信线路容易受到外界环境的破坏，并且损坏后需要长时间去修复，甚至无 法修复f 引。 ( 3 ) 专线集中抄表方式：专线集中抄表通过架设专线实现抄表数据的传输，数据 可以采用欧洲仪表总线传输，通信速率快，通信可靠性好；设备电磁兼容性能优 良，能抵御高压尖峰脉冲、强磁场、强静电、雷击浪涌的干扰、且具有较强的温 度自适应能力。但是该方式的抄表相对与无线远程抄表来说，其存在安装、维护 费用比较高，维护很困难，对现有的j e t 表改造难以实现等缺点【9 1 。 硕士学位论文 1 3 4 无线抄表方式 无线抄表是指利用无线通信技术、计算机网络技术和自动控制技术等技术， 实现将住宅用户的电表数据传输到监控中心进行处理的抄表方式。该系统指通过 采集器将电表数据以无线的方式传输到抄表监控中心进行处理，中间可能经过集 中器进行集中抄收。如果利用无线远程自动抄表的方式，不仅可以节省人力资源， 而且可以提高抄表的准确性、高效性，达到抄表的实时性，可以方便电力管理部 门获取住宅用户的用电情况。利用无线抄表方式最大的好处是不需要架设电缆， 需要少量的抄表人员，达到了节约投资成本的效果，并且利用无线信道传输，可 以快速地建立起通信链路，达到缩短建设工程周期的效果。除此之外，跟有线抄 表方式相比，无线抄表方式有更好的扩展性，方便故障的维修。目前无线抄表的 技术主要包括以下几种i l o j ： ( 1 ) 红外线方式：在该抄表方式中，能够通过非接触的方式读取数据，操作简 单，实现方便，而且成本也比较低，但是，红外线信号衰落比较厉害，传输的距 离有限，对环境条件的要求也比较高。 ( 2 ) g p r s 方式：该抄表方式是通过中国移动、中国联通或中国电信目前所具 有的网络，实现电表数据的传输【1 。通过g p r s 方式抄表提高数据传输的准确性， 抗干扰能力，而且覆盖到很广的区域，但是必须申请频段的使用权。针对于家庭 电表数据的抄收来说，该方式运行维护的费用很高，很难在家庭抄表中推广【1 2 l 。 ( 3 ) 通过无线数传芯片方式：该方式通过可以在电能表、采集器和集中器设备 中安装无线收发芯片，实现对电能表数据的采集【1 3 】。如c h i p c o n 生产的c c l l 0 0 芯片、n o r d i c 公司生产的n r f 9 0 5 芯片、德州仪器生产的c c 2 4 2 0 c c 2 4 3 0 芯片等。 该抄表方式具有准确率高、抗干扰能力强、成本低，并且不需要申请i s m 频段【l 4 1 。 1 4 几种短距离无线通信技术的比较 目前在无线通信领域，常用的无线通信技术有h o m e r f 、蓝牙、z i g b e e 等方 面，其主要特点如下【1 5 1 ： 1 4 1h o m e r f 技术 h o m e r f 标准集成了语音和数据传送技术，工作频段为1 0 g h z ，数据传输速 率达到1 0 0 m b i t s 。在i e e e 8 0 2 1 1 规范中采用t c p i p 传输协议进行数据通信，采 用数字增强型无绳通信标准进行语音通信，及在w l a n 中采用访问控制和加密技 术实现安全性。但是，该标准与8 0 2 1 1 b 协议不兼容，在应用上有很大的局限性， 很难应用在无线远程抄表系统中，其绝大部分用在家庭网络中。 基于z i g b e e 技术的远程抄表系统的设计与实现 1 4 2 蓝牙技术 蓝牙技术适用各类数据及语音设备，是覆盖范围最小的无线网络，称为微微 网，多个微微网之间又可以互联形成分布式网络。是实现语音和数据无线传输的 开放性规范，一种低成本、短距离的、不需申请的无线连接技术。主要特点有1 1 6 l ： ( 1 ) 采用跳频扩频技术，增加抗干扰和衰落的能力，提高传输的可靠性。 ( 2 ) 采用快跳频和短分组技术，可以减少同频干扰。 ( 3 ) 采用2 4 g h z 的l s m 频段，无须申请许可证。 ( 4 ) 保密性好，可以从物理层、数据链路层等方面提高安全措施。 但是，蓝牙无线信号传输受环境干扰非常大，信号的衰减非常严重，信号传 输的距离很近，无法满足目前无线远程抄表技术发展的需求。 1 4 3z i g b e e 技术 z i g b e e 和8 0 2 1 5 4 标准都适合于低速率数据传输，最大速率为2 5 0 k b i t s ，而 z i g b e e 无线技术适合于低速率、复杂网络、低功耗和低成本的w p a n 网络的联 网；而且z i g b e e 无线的传输带宽在2 0 2 5 0 k b s 范围，适合组建大规模网络，网 络节点容量达到6 5 5 3 5 个传感器数据采集和控制数据的传输的低功耗的无线传感 网络。z i g b e e 技术与其他无线技术比较如表1 1 所示【1 7 l 。 表1 1z i g b e e 技术与其他无线技术比较 根据表1 1 对z i g b e e 技术标准的分析，z i g b e e 协议是基于i e e e8 0 2 1 5 4 协 议，能够满足低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议的要求，其协议 工作的i s m 频段上为8 6 8 m 、9 1 5 m 和2 4 g h z ，数据传输速率最高可达2 5 0 k b p s ， 而且z i g b e e 无线技术适合于低速率、复杂网络、低功耗和低成本网络的需求， z i g b e e 技术能够满足无线抄表对数据传输的速率，节点个数，传输距离的要求， 而且可以降低无线抄表的能耗、成本，以及提高无线抄表的可靠性和安全性。 据报道，如果使用智能微尘来监控每个用电点的用电情况，并将用电点的数 硕士学位论文 据通过无线传感的方式传到抄表中心进行处理，这种问题就将迎刃而解。加州大 学伯克利分校的研究员称，如果美国加州将这种产品应用于电力使用状况监控， 电力调控中心每年将可以节省7 亿 - - 8 亿美元。 根据不同的管理部分和不同的用户的情况，目前抄表方式和收费方式存在多 样性。但是，随着无线通信技术和自动控制技术不断的发展，各种公司生产的无 线收发芯片的价格不断降低的情况，无线抄表方式凭借通信技术不断更新，传输 速率不断的提高，以及抄表成本的不断下降，必然会成为未来抄表的主要技术。 1 5 本课题的研究背景及意义 随着计算机技术、现代信息传输技术、网络技术及信息集成技术的综合发展， 国内电力事业也在不断的发展，国内电力资源的需求也在迅速增长。电力部门率先 采用了高新技术成果对现行的发电、供电、配电、用电进行了一系列的改造，已 取得了显著的经济效益和社会效益。但是在国内对电力资源的需求增长的同时， 国内电力抄表仍是一个尚未彻底解决的问题。 因电力资源的需求分散在各个城市、各个地区，甚至各个角落，这给电力资 源的管理带来了相当大的困难。也就是，电力部门面临着如何准确并及时结算各 个用户的用电量等工作。目前，大部分电力局对变电站、大客户及一些分散的用 户仍采用人工抄表收费和i c 卡收费方式。而手工抄表无法实现管理系统自动化， 存在很多缺点： ( 1 ) 工作量大大增加，运营成本高。 ( 2 ) 出现漏抄、误抄的概率大，出错率高。 ( 3 ) 工作效率低，完成一次抄表需要很长时间。 ( 4 ) 无法实时，准确的统计数据。 为了能够解决类似的问题，采用信息技术实现电力部门数据采集的及时性和 自动化势在必行。与此同时，在水力、煤气等企业抄表也出现同样的问题。如何 把庞大而且分散的用户的用电量及其其他一些数据及时有效而且准确无误的收 集，统计并进行分析，成为供电企业迫切需要解决的问题。 1 6 论文内容安排 ( 1 ) 第一章介绍了目前国内外研究现状、各种远程抄表技术、无线技术的比 较，和该项目研究的背景及意义。 ( 2 ) 第二章介绍z i g b e e 技术的物理层、协议栈、网络结构、z i g b e e 技术在远 程抄表中的应用、本设计中选择的嵌入式系统、智能表的结构及智能表跟采集器 通信的工作原理。 基于z i g b e e 技术的远程抄表系统的设计与实现 ( 3 ) 第三章分析了无线抄表系统的应用需求、系统总体方案设计，包括系统 的特点及工作过程，最后介绍了集中器和采集器的主要芯片和模块的选型及其模 块电路。 ( 4 ) 第四章阐述集中器和采集器总的硬件电路设计原理，包括c c l l 0 0 收发模 块、核心控制电路、时钟电路、串口电路、按键电路模块、电源电路等的设计原 理图，最后分析了集中器的g p r s 模块设计方案。 ( 5 ) 第五章介绍了收发模块软件开发环境、设计思路、远程抄表网络通信协 议实现，详细阐述了远程抄表系统节点的组网过程、采集器和电能表通信的流程， 最后给出了集中器和采集器实现通信的流程和部分程序。 ( 6 ) 第六章给出了该系统搭建的硬件平台及基于该硬件平台进行的软硬件测 试，最后针对该平台进行了单点对单点和星型通信网络测试及给出通信测试结果。 ( 7 ) 主要结论及后续工作。 _。11。1。-一一 硕士学位论文 第2 章远程抄表系统的技术基础 2 1z i g b e e 技术简介 z i g b e e 技术是种新兴的无线通信技术，其特点主要表现在短距离、低功耗、 低数据速率、低成本、低复杂度几个方面，z i g b e e 采取了i e e e8 0 2 1 5 4 强有力 的无线物理层所规定的全部优点，其在省电、简单、低成本的基础上，增加了逻 辑网络、网络安全和应用层。z i g b e e 无线通信可使用的频段有3 个，分别是 2 4 g h z 的i s m 频段、欧洲的8 6 8 m h z 频段、以及美国的9 1 5 m h z 频段，而不 同频段可使用的信道分别是1 6 、1 、1 0 个，在中国采用2 4 g 频段，是免申请 和免使用费的频率。应用领域包括无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设 备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合【埔1 。 z i g b e e 技术的优点在于【1 9 j ： ( 1 ) 低功耗。相对来说，2 节5 号干电池蓝牙能工作数周、w i f i 可工作数小时， z i g b e e 节点在低耗电待机模式下，可支持1 个节点工作6 - - 2 4 个月，甚至更长。 ( 2 ) 低成本。通过大幅简化协议，降低对通信控制器的要求，每块芯片的价格 大约为2 美元，而且z i g b e e 免协议专利费。 ( 3 ) 低速率。z i g b e e 协议工作速率在2 0 - - 2 5 0k b p s ，能够提供在不同的工作频 段下提供三种速率，在2 4 g h z 频段下通信速率达到2 5 0k b p s ，9 1 5 m h z 频段下 通信速率达到4 0 k b p s ，8 6 8m h z 频段下通信速率达到2 0 k b p s 。 ( 4 ) 近距离。传输距离一般在1 0 1 0 0m 之间，如果增加射频发射功率，相邻 节点间的距离后可增加到1 - - - 3k m 。 ( 5 ) 短时延。z i g b e e 的响应速度只需1 5m s ，节点连接进入网络只需3 0m s ， 但是蓝牙需要3 1 0 s 、w i f i 需要3