基于Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程抄表設(shè)計(jì)

文/黃定懿

隨著城鄉(xiāng)建設(shè)的不斷發(fā)展，獨(dú)立電表數(shù)量的增加，大大提高了抄表難度，如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化抄表就成了電業(yè)部門非常重視的問題。目前用戶電表大部分設(shè)置在室外，露天布線容易出現(xiàn)斷線、短路等問題。如果運(yùn)用Zigbee 無線傳感器技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)低耗電、低數(shù)據(jù)量傳輸，符合抄表需求，結(jié)合GPRS 等技術(shù)又能很好的補(bǔ)充Zigbee 無線傳感器的短處。

1 Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來受到廣泛關(guān)注的一項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其特點(diǎn)是知識(shí)高度集成、多學(xué)科交叉等。這類技術(shù)融合了無線通信、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、嵌入式計(jì)算機(jī)、傳感器等方面的先進(jìn)技術(shù)，主要是使用多種微型傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸以及環(huán)境監(jiān)測(cè)、感知等目的。數(shù)據(jù)無線傳輸是這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)之一，有效提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率和便捷性。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)主要分為兩層，即GPRS網(wǎng)絡(luò)和Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)，分別是系統(tǒng)的上層和底層。系統(tǒng)底層可以采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)和需求喚醒技術(shù)來降低Zigbee 無線傳感器的功耗，同時(shí)能夠減少每個(gè)節(jié)點(diǎn)向上級(jí)節(jié)點(diǎn)匯報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)可能出現(xiàn)的碰撞問題，GPRS 網(wǎng)絡(luò)用于匯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸。傳統(tǒng)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抄表，需要使用公共網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速度限制較大，而采用Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表則基本不存在這個(gè)問題。

系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括采集器、集中器和管理中心，顧名思義，采集器就是用來采集電表信息的，將信息進(jìn)行處理后，通過Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給集中器，集中器的主要作用是協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，將接收到的信息進(jìn)行分析和處理，并將其加入到本地?cái)?shù)據(jù)庫中，然后將數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)包發(fā)送給管理中心，管理中心計(jì)算和處理這些數(shù)據(jù)，也能夠發(fā)出信息來控制抄表系統(tǒng)。

2.1 小區(qū)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

由于有新建小區(qū)和舊小區(qū)，對(duì)于不同小區(qū)組網(wǎng)設(shè)計(jì)也要分情況進(jìn)行。新建小區(qū)都實(shí)行了統(tǒng)一規(guī)劃，水、電、氣三表統(tǒng)一管理，舊小區(qū)大部分未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，電表不太集中。使用Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無線抄表，能夠兼顧系統(tǒng)成本、穩(wěn)定性等多方面因素，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在整個(gè)小區(qū)中用無線公網(wǎng)進(jìn)行通信，小區(qū)居民樓各個(gè)樓層之間采用Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)，而樓層內(nèi)則采用有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式。小區(qū)內(nèi)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)小區(qū)設(shè)置一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，每個(gè)采集不多于十個(gè)用戶的水、電、氣表的數(shù)據(jù)，通過Zigbee 網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)小區(qū)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)，然后通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾碇行摹?/p>

2.2 遠(yuǎn)程抄表監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件的主要作用是采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)，因此軟件設(shè)計(jì)只需要注重這兩個(gè)方面的功能即可，每個(gè)功能實(shí)現(xiàn)之后，將其作為模塊嵌入到主程序中，可以由主程序操作和調(diào)用。使用軟件或者系統(tǒng)之前，首先要進(jìn)行復(fù)位，這樣硬件設(shè)備才能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)，然后進(jìn)入程序執(zhí)行過程。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的主程序的執(zhí)行是一個(gè)無限循環(huán)的過程，除非斷電或者遇到強(qiáng)烈的干擾，否則程序會(huì)一直執(zhí)行。系統(tǒng)通電后啟動(dòng)，然后會(huì)自動(dòng)復(fù)位初始化，硬件隨即恢復(fù)到初始狀態(tài)，然后系統(tǒng)會(huì)檢查網(wǎng)絡(luò)狀況，如果尚未聯(lián)網(wǎng)則會(huì)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)中，連接成功后系統(tǒng)會(huì)發(fā)送抄表命令，采集電表數(shù)據(jù)后將其傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)，同時(shí)還要將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。

2.3 數(shù)據(jù)采集和處理程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化完成并聯(lián)網(wǎng)后，節(jié)點(diǎn)就會(huì)開始采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給父節(jié)點(diǎn)的時(shí)間間隔一般為10 秒，也就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)每隔10 秒會(huì)采集一次數(shù)據(jù)并傳輸。采集的數(shù)據(jù)通過Zigbee 網(wǎng)絡(luò)和GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，集中器會(huì)處理這部分信息，可以給Zigbee 節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，也可以將數(shù)據(jù)傳輸給管理中心，這幾種傳輸過程采用的都是串口通信的方式。如果GPRS 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了中斷信息，系統(tǒng)會(huì)判斷信息是不是集中器產(chǎn)生的，如果是則修改參數(shù)，如果不是，則需要判斷是否將信息傳送給Zigbee 網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于Zigbee 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的中斷信息，系統(tǒng)會(huì)判斷是否要將中斷信息上傳，不需要的話則直接丟棄中斷信號(hào)，如果需要上傳則讀取系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)并將中斷信息保存在數(shù)據(jù)庫中。

2.4 管理中心的功能設(shè)計(jì)

管理中心的核心是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般采用的是微軟操作系統(tǒng)，同時(shí)配置了抄表軟件。計(jì)算機(jī)的管理中心有友好的操作界面，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢索數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和查詢等功能，遠(yuǎn)程抄表軟件則包括收費(fèi)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等若干子系統(tǒng)，子系統(tǒng)有具有若干模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)較為豐富的管理功能。后臺(tái)使用了SQL 數(shù)據(jù)庫，這種數(shù)據(jù)庫具有集成性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在微軟操作系統(tǒng)環(huán)境中使用能夠發(fā)揮很好的效果。

3 結(jié)束語

綜上所述，Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程抄表中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，降低了抄表難度，提高了抄表效率，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。