ZIGBEE电力无线抄表系统
基于ZigBee技术的无线自动抄表系统
基于ZigBee技术的无线自动抄表系统ZigBee 是一个最近新出现的无线通信技术,在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间。
ZigBee 的物理层和数据链路层由IEEE 802.15.4 工作组制定,高层(网络层、数据安全性及互边互通应用)由ZigBee 联盟负责。
蓝牙、WLAN 技术,由于协议复杂、成本高、耗电等,在上述应用领域中的推广应用遇到较大的困难。
ZigBee 技术在户用计量仪表组网,建立无线自动抄表系统,具有很好的市场前景,但是还有很多具有挑战性的问题需要解决。
其中包括电源问题、各层协议的节能机制、自组织自适应网络组网等问题。
本文将在亲身参加户用计量仪表开发研究的基础上,参考国外许多专家学者提出的一些协议,对该问题进行进一步的研究。
本文通过比较传统人工抄表、IC 卡预付费表、有线抄表系统及无线抄表系统的优缺点,认为无线抄表系统以其技术先进、易于实现、传输速率高、可靠性高、成本造价低、易于普及等特点,将成为未来发展的趋势。
作者对无线局域网(WLAN)、GSM/GPRS、蓝牙技术、WirelessUSB LR 技术等无线通信技术作了分析,得出了ZigBee 技术具有协议简单、成本低、功耗小、组网容易等优点,最适合应用于无线自动抄表系统的结论。
作者还研究了ZigBee 技术的基本原理,深入分析了物理层、媒体访问控制层、网络层、应用层等各层协议。
给出了无线自动抄表系统的结构框图、各部分在系统中的功能以及户用计量仪表的原理框图、基本电路图、主要硬件选型,研究了各种自动抄表系统的组网技术,提出一种实用的组网方案。
由于无线自动抄表系统中的仪表要依靠自身携带的电池供电,寿命需达数年且更换不方便,因此选用合适的内置电池显得至关重要。
锂-亚硫酰氯电池以其极低的自放电、较大的容量、出色的高低温性能,完全能够满足户用计量仪表长期使用的要求。
本文研究了锂电池有关技术及选型注意项,对长期困扰设计者的锂亚硫酰氯电池的“电压滞后”问题作了深入研究,通过大量试验比较了几种解决方案的优劣。
基于ZigBee的电能无线抄表系统的设计
关键词：ZigBee技术；无线抄表；GPRS；智能电表
中图分类号：TN92
文献标识码：A
文章编号：2095-1302（2015）11-0026-02
0引言 随着无线通信技术和计算机网络技术的发展，特别是智
能电网国家战略的推进，基于无线传输的自动抄表方式已逐步 成为电能抄表的主要发展趋势。目前，无线自动抄表系统有基 于 GSM、GPRS 和红外线、蓝牙、ZigBee 技术等无线通讯手段， 建立在 IEEE802.15.4 无线通信标准上的 ZigBee 技术，使用国 际通用免费频段，具有自组织网、开发使用简单、功耗成本低、 网络容量大、可靠性高等特点 [1]。本文设计了一种基于嵌入式 技术、ZigBee 技术和 GPRS 技术的电能无线自动抄表系统， 并采用低成本低功耗的 ZigBee 芯片 CC2530 完成抄表功能。 1 系统总体设计方案
集抄中心 GPRS网络
数据集中器
ZigBee采集器l … ZigBee网络
ZigBee 网络 ZigBee采集器 …
ZigBee网络
ZigBee采集器 ZigBee网络
智
智
能
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电
电
表
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智
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能电Leabharlann 电表表l l l
图 1 基于 ZigBee 的电能无线抄表系统原理图
LCD显示电路
电流采样 电压采样
数据集中器软件设计流程如图 6 所示。
本系统智能电表主要由 CC2530 主控芯片、RN8209 电能
———————————————— 收稿日期：2015-10-14
２６ 物联网技术 ２０１５年 ／ 第１１期
ZigBee无线网络技术在抄表系统中的应用
修改稿收到日期:2008-06-02。
第一作者郭丹,女,1974年生,2003年毕业于辽宁石油化工大学控制理论与控制工程专业,获硕士学位,讲师;主要从事先进控制工业网络等方向的研究。
Zig Bee 无线网络技术在抄表系统中的应用App lica ti o n o f Zi gB e e W ire le s s N e t w o rk Te chno l o gy i n M e te r Re ad i ng Sys tem郭 丹 李俊芳(天津理工大学自动化学院,天津 300191)摘 要:简单分析了现有自动抄表技术存在的问题,介绍了Zig Bee 技术的特点和优势,将Zig Bee 技术应用于自动抄表系统,提出了无线网络抄表系统方案。
该方案利用TI 公司的低功耗单片机MSP430F147作为核心处理器,使用Chipcon 公司的射频芯片CC2420实现了数据无线收发通信。
论述了系统的构成和工作原理,阐明了系统的硬件电路和软件设计。
实践表明,把低成本、低功耗的无线Zig 2Bee 技术应用于自动抄表系统,提高了系统应用的灵活性,同时也减少了抄表系统现场布线带来的各种问题。
关键词:Zig Bee 自动抄表 无线网络 射频芯片 CC2420 MSP430F147中图分类号:TP29 文献标志码:AAbstract:The existing problem s in aut omatic meter reading technology are analyzed .The features and superiority of Zig Bee technol ogy are intr o 2duced briefly;and the strategy of wireless net work meter reading system is p r oposed by using Zig Bee int o aut omatic meter reading system.I n the system,the l ow power consu mpti on single chi p computer MSP430F147fr om TI is selected as the core p r ocess or;and the radio frequency chi p CC2420fr om Chi pcon is used f or wireless data communication .The composition and operati onal p rinciple of the system are expounded;and the hard ware circuits and s oft w are designed are illustrated .The practice indicates that the low cost and l ow power consu mp tion wireless Zig Bee makes the automatic meter reading system more flexible and eli m inates vari ous p r oblem s of field cabling problem of the meter reading system.Keywords:Zig Bee Automatic meter reading W ireless net work RF 2I C CC2420 MSP430F1470 引言随着通信技术的不断发展,建筑智能化程度越来越高,住宅的智能化抄表系统在建筑智能化中是必不可少的。
基于ZIGBEE无线电表集抄系统设计
基于ZIGBEE无线电表集抄系统设计
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。
主要用于近距离无线连接。
它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。
在楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间。
ZigBee技术在户用计量仪表组网、建立无线自动抄表系统的应用中，具有很好的市场前景，但是还友很多具有挑战性的问题需要解决。
其中包括ZIGBEE协议栈的实现问题、网络的组织模式的设定，各层协议的节能机制等问题。
本文着重于整个网络的实现，对优化网络的性能问题不作进一步的研究。
GPRS无线网络技术是目前成熟的技术，由于无需布线、使用安装方便、成本低、监控不受距离、地域、时间的限制，适合批量小数据量的传输，所以广泛的用于远程的无线抄表领域。
利用ZIGBEE做为局部的无线组网方式，而利用GPRS作为远程的无线数据传输方式，这样就实现了局部无线到远程无线的连接。
在这种背景下，本文选择了基于ZIGBEE网络无线电表集抄系统设计为主要研究方向，归纳起来，主要的研究工作包括： ZIGBEE网络无线电表集抄系统设计中硬件方案的选择及主要硬件电路的实现；应用层数据传输格式应该遵守的规约；ZIGBEE协议中数据结构的组织和组网技术；讨论了一些网络路由算法的可用性、面临的问题和改进；给出了终端设备的程序流程和网关设备的程序流程。
总结并讨论后继的研究工作。
以ZigBee技术为基础的台区无线抄表系统设计
以ZigBee技术为基础的台区无线抄表系统设计电能表数据是供电部门销售电能的最直接也是最原始的计量数据,获取电能表数据的及时性和准确性直接关系到供电部门的经营效益和公司的管理决策。
随着经济社会的不断发展和科学技术的不断进步,电力技术应用的信息化程度不断提高,无线抄表技术应运而生并取得了长足的发展和进步,一种既能突破原有的
电能表抄表方式,又利于供电部门对电能耗用情况监控的先进抄表方式呼之欲出。
受到供电部门行业性质的要求,对电能表数据抄录的准确性和系统自身的功耗要求极为严格,但是目前运行的以蓝牙技术、GPRS/CDMA技术和Wifi技术为基础的无线抄表技术却不能很好的满足这种高标准的需求。
随着国际社会近几年对ZigBee技术研究的不断深入,Zigbee技术逐渐成熟,应用范围不断扩展,成为无线通信技术研究的一支重要的新兴力量。
正是由于ZigBee技术在通信方面具有蓝牙技术、GPRS和WIFI等技术无法比拟的极高性价比,因此,本文提出了一种以Zigbee无线通信技术为基础的供电台区电能表无线抄录系统。
本文针对Zigbee技术的特性,在Zigbee通用协议的基础之上,使用了目前在Zigbee技术行业内获得普遍认可的CC2430芯片作为中央服务器和无线数据的收发器,并辅以相关配套子设备,形成了以Zigbee技术为基础的供电台区电能表无线抄录系统。
在软件设计方面,本系统设计使用了应用范围较广,技术较为成熟,且能够在IAR7.30环境下稳定运行的的C编程语言,系统中用到的协议栈则是ZigBee精简协议栈msstatePAN。
在系统网络正常运行后,系统中的传感器能够完成对电能表数据的采集工作,而且数据能够在网络系统中顺利的进行传输和处理,实现了对
电能表数据的无线抄录的目的。
基于ZigBee技术的无线抄表通信系统的设计
基于ZigBee技术的无线抄表通信系统的设计现行的人工抄表方法给用户和抄表人员带来很多麻烦,采用无线抄表不仅能节省人力物力,还能提高工作效率。
GSM／GPRS无线抄表系统费用过高,不能被人们广泛接受。
本文采用ZigBee技术和GPRS技术相结合的方式,提出了无线抄表系统的设计思想和总体方案,此方案能很好地解决上下行信道的数据传输问题。
采用
CC2430芯片作为数据采集器硬件系统的核心,为使通信距离更远,增设了功放电路和低噪声功放电路,着重设计了基于ZigBee技术的下行通信信道。
在分析ZigBee协议栈的基础上,设计了无线抄表系统的组网方案,给出了楼宇集中器和数据采集器的网络流程,以IAR Embedded Workbench为软件开发平台,进行了C语言编程。
通过ZigBee节点的软／硬件测试,结果表明系统具有一定的接收灵敏度和较为理想的通信距离,可以满足无线抄表系统下行信道的要求。
基于ZigBee无线网络的电力抄表系统的设计与实现
基于ZigBee无线网络的电力抄表系统的设计与实现随着电力行业的自动化程度越来越高,自动抄表技术正在改变着传统的抄表方式,自动抄表能减少抄表所需的人力、物力代价,为电力部门提供更科学的管理和决策。
本文在对几种自动抄表技术进行分析比较的基础上,提出了将ZigBee 无线通信技术应用于自动抄表中的方案。
通过对ZigBee的网络结构和协议栈的详细介绍,同时结合实际应用的要求,设计了基于ZigBee的无线抄表监控系统的总体架构。
该系统既能实现自动抄取整点电量数据的功能,同时还能通过发送指令查看电能表的实时信息。
系统采用网状结构的ZigBee网络和以太网组成混合网络,由采集终端、路由器、集中器、上位机软件、后台服务器、数据中心和Web管理系统等部分组成,论文分别对集终端、路由器和集中器进行了硬件和软件设计,其中在硬件设计时,采用AVR单片机作为核心处理器,IP-Link 1221-2264作为无线通信的ZigBee模块。
系统用VB设计了上位机软件和后台服务器,上位机软件实现了计算机和单片机之间的串口通信,同时把接收的串口数据经处理后存储在本地数据库中,由后台服务器读取处理后,写入到数据中心,用语言设计了B/S结构的前台Web管理系统,是用户操作的前台界面,可以对电量数据进行查看与分析,同时还可以发送实时监控指令对集中器和采集终端进行控制。
最后论文对系统进行了测试与分析,验证了该方案的可行性。
基于Zigbee的无线抄表系统的开题报告
基于Zigbee的无线抄表系统的开题报告一、选题背景随着科技的进步和社会的发展，环境保护逐渐被人们所关注，节能减排成为热门话题。
其中，电表的抄表工作是节能减排的基础，因此如何提高电表抄表的效率、准确性成为一个亟待解决的问题。
目前，传统的电表抄表仍然需要由人员到现场进行，这种方式不仅增加了人力成本，而且由于人为操作的原因容易出现错误，影响了抄表的准确性。
因此，人们开始尝试采用无线电抄表技术，实现远程读取电表数据，提高抄表的效率和准确性。
二、选题目的本文旨在设计一种基于Zigbee协议的无线电抄表系统，实现对电表的远程读取，提高抄表的效率和准确性。
具体目标如下：1. 掌握Zigbee无线技术的基本原理和应用方法。
2. 设计电表抄表系统的硬件框架，并编写相应的控制程序。
3. 设计抄表系统的通信协议，实现数据的传输和接收。
4. 对系统进行调试和优化，验证系统的可行性和效果。
三、研究方法本文采用实验、调查和分析等方法进行研究。
1. 实验：通过实际构建电表抄表系统，验证系统的可行性和效果。
2. 调查：对目前市场上的无线抄表系统进行调查和分析，了解其优缺点，为系统设计提供参考。
3. 分析：对系统设计过程中的难点和问题进行分析和解决。
四、预期结果本文将建立一种基于Zigbee协议的无线电抄表系统，预期结果如下：1. 设计出可用于实际抄表的硬件框架，并编写相应的控制程序。
2. 实现数据的传输和接收，保证数据的准确性。
3. 验证系统的可行性和效果，提高抄表的效率和准确性。
五、论文结构本文将分为以下几个部分：第一章：引言。
介绍选题的背景、目的和意义。
第二章：相关技术。
介绍Zigbee无线技术的基本原理和应用方法，并对其进行分析和比较。
第三章：系统设计。
设计无线电抄表系统的硬件框架，编写相应的控制程序，设计通信协议，实现数据的传输和接收。
第四章：系统实现。
对系统进行调试和优化，验证系统的可行性和效果。
第五章：总结与展望。
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基于ZigBee技术的无线电力抄表系统
关键词：Zigbee、无线抄表、GPRS/CDMA
一、应用需求
在电力系统的信息化过程中，户表数据的自动抄送具有十分重要的意义，也是行业单位迫切想要解决的问题，因为电表数据抄送的准确性、及时性，直接影响电力系统的信息化水平、甚至管理决策、经济效益。
传统的手工抄表费时、费力，准确性和及时性得不到可靠的保障，这导致了相关营销和企业管理类软件不能获得足够详细和准确的原始数据；一般人工抄表都按月抄表，对于用户计量来说是可行的，但对于相关供应部门进行更深层次的分析和管理决策却不够，行业的实际需求催生着自动抄表系统的技术和应用的不断发展。
二、行业现状
目前的自动抄表系统，从数据传输角度划分，可分为有线、无线两大类，这两大类抄表系统各有其适用的应用领域，但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言，无线抄表系统显然具有更大优势。
无线抄表系统对无线通讯数据的传输和保存有着很高的要求，即数据可靠性要求很高；由于用电池供电，因此对功耗要求也很苛刻；无线抄表系统可以摆脱人工抄表的办法，利用数据通讯协议传输数据；基于以上原因，要求设计的自动无线远传抄表系统应该具有计量准确、通信可靠、抄表方便、功耗低等远程抄表系统的优点，以及节省人力、远程监控、远程维护的功能。
随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为zigbee，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网，我们采用zigbee技术和GPRS/CDMA技术结合，可以为电表的无线抄表提供很好的解决方案。
三、Zigbee技术简介
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，IEEE802.15.4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，IEEE802.15.4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联互通； 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，即星型结构、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。
图一 ZIGBEE星型网络结构
星型网络结构特点
支持点对点、点对多点通信
中心节点为ZIGBEE协调器，终端节点为ZIGBEE终端设备
所有数据经过中心节点
适合圆形分散、距离较近的设备联网
图二ZIGBEE网状网络结构
MESH网状网络结构特点
系统采用多跳式路由通信
网络容量很大
可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构
MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络的所有实体只有要通信范围之内，都可以互相通信，如果没有直接通路，还可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。
四、Zigbee技术特点
设备省电
zigbee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到
2年左右的使用时间；
通信可靠
zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专
用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，
每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；
网络的自组织、自愈能力强
zigbee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定
连接关系，组成结构化的网络；
zigbee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，
网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个
系统仍然能正常工作。
具备自组织、自愈能力的无线通信网络才是自动抄表系统最理想的通信方式。
成本低廉
设备的复杂程度低，且Zigbee协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成本；
Zigbee的工作频段灵活，为免执照频段的2.4GHz，就是没有使用费的无线通信。
网络容量大
一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存
在200多个ZigBee网络；
数据安全
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可
以灵活确定其安全属性。
五、基于ZigBee技术的无线电力抄表系统解决方案
通过前面对电力抄表系统的技术要求分析，结合zigbee技术特点和技术优势，采用zigbee 技术来实现电表的无线抄表是一个非常理想的解决方案。
在实际应用中，我们选择了将zigbee技术与GPRS/CDMA结合起来，根据抄表用户的不同分布，来灵活地构建抄表的无线网络。
对于每个抄表终端而言，要求超低功耗、低成本（包括设备成本、运行成本），并且数据的传输速率不高，对于居民小区的抄表，抄表终端通常分布较密集、距离较近，zigbee技术可以很好地满足这些要求；
●终端采集的数据需要送到电力公司的集抄管理中心，这可以通过GPRS/CDMA网络来实现，
它无距离限制，且无需网络规划、几乎不需要维护；
●所构建的zigbee网络既可以是星形拓扑，也可以是网状网络拓扑，不论是哪种拓扑结构的
zigbee网络，根据实际的组网需要，设计合理的网络结构。
单元楼
数据库
集抄中心
ZIGBEE中心节点
ZIGBEE
ZigBee无线电力抄表系统解决方案—系统拓扑图
每幢单元楼设置一个ZIGBEE远端节点
采用MESH网状网络结构，保证数据传输的可靠性
一个小区设置一个ZIGBEE中心节点
ZIGBEE中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心
六、Zigbee 技术方案优势
目前的自动抄表系统，从数据传输角度划分，可分为有线、无线两大类，这两大类抄表系统各有其适用的应用领域，但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言，无线抄表系统显然具有更大优势。
目前市场上的无线抄表系统大致可分为基于无线数传模块、基于GPRS/CDMA 数字蜂窝网络、或者是二者结合等几种方式，从应用角度而言，都存在以下一种或几种问题：
ZIGBEE 远端节点1
ZIGBEE 中心节点
单 元 楼 1
ZIGBEE 远端节点N
ZigBee 电力抄表系统--单元楼结构图
每幢单元楼设置一个ZIGBEE 远端节点，负责数据收发或作路由器 ZIGBEE 远端节点上传到ZIGBEE 中心节点
每楼层电表通过RS485总线连接ZIGBEE 远端节点
使用成本较高
GPRS/CDMA 数据传输需要付费，对于家庭电表抄表来说，系统的运行成本很高；
网络的自管理能力有限
采用无线数传模块，除了数据轮询时间随节点数增加而线形增加外，所组建的无线网络的自管理功能非常有限，增加或者减少节点，都需要人工去修改相应的数据库配置；节点出现故障，也常常需要人工去诊断等等；
抄表终端的供电问题难以很好地解决，由于抄表终端难以做到极低功耗，所以供电问题始终是一个瓶颈。
七、顺舟网络科技的ZIGBEE通信模块
顺舟科技SZ02-ZIGBEE通信模块
参数名称性能参数
频段 2.4-2.483GHz 通讯协议标准IEEE 802.15.4 zigbee
网络拓扑结构网状网、星型
调制方式DSSS （O-QPSK）
数据传输速率最大250KBps
寻址方式64位IEEE地址，8位网络地址
数据加密128-bit AES
错误校验CRC-16/32
信道接入方式CSMA-CA和时隙化的CSMA-CA 信道数16
通信时延15ms（激活或信道接入），30ms（设备搜索）最大发射功率25dbm
接收灵敏度-92dbm
工作温度-40-85℃
天线 2.4G外置天线
通信距离500米
数据接口RS232/485（RJ45接口）
配置端口RS232（RJ45接口）
电源9V（标准工业接线端子）
工作功耗 2.2W。