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探究基于Zigbbe技术的无线抄表系统

来源:用户上传      作者: 马瑞 刘宁宁

  【摘要】相较于传统的人工抄表方式,无线抄表系统能够提高计量结果的准确性,帮助电力企业实时掌握各种用电信息和节约成本,提高用电企业的服务质量。而基于Zigbbe技术的无线抄表系统,又是无线抄表系统中非常具有实用价值的应用,因此本文将对其展开深入的探讨。
  【关键词】Zigbbe技术;无线抄表系统;网络协调器
  【中图分类号】TP274 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158(2012)09-0077-01
  传统的手工抄表不仅工作量大,而且准确性和及时性都难以得到保证,无法为电力部门实时掌握各种用电信息提供支持。相较于其他无线技术,Zigbbe技术因其低速率、低成本、低能耗和网络容量大的优势,日益成为了无线抄表系统的热门技术。
  1、Zigbbe技术和无线抄表系统的概述
  1.1 Zigbbe技术的含义和特征
  Zigbbe的基础是IEEE 802.15.4,这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准,被称作IEEE 802.15.4(Zigbbe)技术标准。Zigbbe不仅仅只是802.15.4的名字,IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议,因此Zigbbe联盟对其网络层协议和API进行了标准化,同时还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄露其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。
  与其他无线技术相比,Zigbbe技术主要具有以下特征:数据传输速率低,仅有20k字节/秒至250k字节/秒;功率低,在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用6~24个月;成本低,Zigbbe数据传输的速率较低,协议简单,因此极大地降低了成本,而且Zigbbe协议免收专利费;网络容量大,每个Zigbbe网络最多可支持255个设备;时延短,通常时延都在15~30毫秒之间;可靠性高,Zigbbe提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES-128,同时可以灵活确定其安全属性;有效范围小,有效覆盖范围在10~75米之间,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境;工作频段灵活,使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)和915MHz(美国),均为免执照频段。
  1.2 无线抄表系统的优势
  相较于传统的人工抄表方式,无线抄表系统具有如下优势:减少抄表的工作量,降低了抄表工作的成本;能够及时、准确、可靠的抄读电表;减少了抄表工作中人为因素的干扰,提高了抄表的质量和效率;扩充了电能表的计量功能,形成完善的智能化辅助计量系统,为多费率和多电价的实施创造了条件;增加了对用户的控制手段,对超电力负荷的用电行为和不付费的用户,可以实施有效的断电控制;完善了用电的监控手段,对总表和子表问实现了能量平衡的实时对比,对用户的窃电行为以及表计故障实现了有效的监控和记录;容易实现保护自动化功能,加装可控保险丝单元后,可实现对电气设备有效的控制。
  2、基于Zigbbe技术的无线抄表系统的方案设计
  基于Zigbbe技术的无线抄表系统,是通过Zigbbe无线网络将终端中的信息发送到协调器,然后再通过GPRS或者是无线测控网将信息从协调器发送到集抄中心。
  2.1 无线抄表系统的组成
  基于Zigbbe技术的无线抄表系统,主要由Zigbbe网络协调器、信息集抄中心和Zigbbe终端收发器这三个部分组成,具体说来:
  (1)Zigbbe网络协调器。作为收集各无线数据传输模块下传来的数据和状态的设备,无线数据集中器由存储单元、传输单元、控制单元和时钟单元组成,它能够实时收集和存储各种数据和运行状态信息,并在系统停电时不丢失信息。无线数据集中器能够记录各个电表的数据和状态产生时间,从而为后台的计算机管理提供数据基础。
  (2)信息集抄中心。信息集抄中心是通过计算机管理系统接收各个Zigbbe网络协调器或手抄器传送过来的数据信息,然后进行集中处理。其实信息集抄中心还应该连接一个计算机管理系统,主要包括采集器管理、系统设备设置和收费管理,该系统主要完成对系统内各组成设备的管理和对数据的分类、统计和分析,从而产生各类数据报表。
  (3)Zigbbe终端收发器。作为采集和传输各电表的读数以及监控电表运行状态的设备,无线数传模块由信号采集单元、无线数据传输单元和控制单元组成,其中控制单元采用低功耗高速单片机,具有控制功能强和低功耗的优点;无线数据传输单元采用高集成度和低功耗的无线数据传输芯片CC2420,具有连接简洁和稳定可靠的优点。
  2.2 无线抄表系统的关键技术
  基于Zigbbe技术的无线抄表系统,涉及到很多技术,其中最为关键的技术为以下几种:
  (1)直接序列扩频技术。所谓直接序列扩频,就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱,而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩,把展开的扩频信号还原为原来的信号。
  (2)CSMA-CA技术。CSMA-CA技术是带冲突避免的载波多路侦听访问技术,通过随机退避减少数据发送冲突,它能够降低无线信道传输数据时发生冲突的可能性,从而提高信号传输数据的成功率。
  (3)CRC校验编码技术。采用CRC校验时,发送方和接收方采用同一个生成多项式g(x),并且g(x)的首位和最后一位的系数均为1。CRC的处理方法是:发送方以g(x)去除t(x),得到余数作为CRC校验码。校验时,以计算的校正结果是否为O为据,判断数据帧是否出错。
  (4)MESH网络技术。在无线MESH网络中,任何无线设备节点都可以同时作为路由器和AP,网络中的每个节点都可以发送和接收信号,每个节点都可以与一个或者是多个对等节点进行直接通信。
  (5)AES-128加密算法。AES-128加密算法是一种对称加密算法,数据发信方将原始数据和加密密匙一起经过特殊加密算法处理后,使其变成复杂的加密密文发送出去,收信方收到密文后,若想解读原文,则需要使用加密用过的密匙及相同算法的逆算法对密文进行解密,才能使其恢复成可读明文。在对称加密算法中,使用的密匙只有一个,发收信双方都使用这个密匙对数据进行加密和解密,这就要求解密方事先知道加密密匙。AES一128加密算法提供128位密匙,因此具有很强的保密功能。
  (6)Ad Hoc技术的网络协议。Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络,网络中的节点均有移动主机组成。在AdHoc网络中,当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时,它们可以直接通信,否则需要通过它们之间的移动主机转发才能够实现。在Ad Hoc网络中,每个主机的通信范围有限,数据通过多个主机的转发才能到达目的地,因此它也被成为多跳无线网络。Ad Hoc网络可以看作是移动通信和计算机网络的交叉,它使用计算机网络的分组交换机制,通信的主机一般是便携式计算机和个人数字助理等移动终端设备。
  3、小结
  Zigbbe技术是一种短距离无线传输技术,具有数据传输速率低、省电、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、有效范围小和工作频段灵活的特征。自动抄表系统是一种不需要人员到达现场就能够完成抄读用户消耗电能的智能管理系统,它对于提高电力部门的管理水平和经济效益具有重要的现实意义。将Zigbbe技术应用于无线抄表系统中,具有节约资源、操作方便、可靠性高和易于管理的优点,具有广阔的市场应用前景。
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