基于ZigBee的電力抄表系統無線通信方案

在電力系統的信息化過程中，戶表數據的自動抄送具有十分重要的意義，也是行業單位迫切想要解決的問題，因為電表數據抄送的準確性、及時性，直接影響電力系統的信息化水平、甚至管理決策、經濟效益。
傳統的手工抄表費時、費力，準確性和及時性得不到可靠的保障，這導致了相關營銷和企業管理類軟件不能獲得足夠詳細和準確的原始數據；一般人工抄表都按月抄表，對于用戶計量來說是可行的，但對于相關供應部門進行更深層次的分析和管理決策卻不夠，行業的實際需求催生著自動抄表系統的技術和應用的不斷發展。

二、技術要求

目前的自動抄表系統，從數據傳輸角度劃分，可分為有線、無線兩大類，這兩大類抄表系統各有其適用的應用領域，但就抄表系統的投資、建設、維護等幾方面而言，無線抄表系統顯然具有更大優勢。
無線抄表系統對無線通訊數據的傳輸和保存有著很高的要求，即數據可靠性要求很高；由于用電池供電，因此對功耗要求也很苛刻；無線抄表系統可以擺脫人工抄表的辦法，利用數據通訊協議傳輸數據；基于以上原因，要求設計的自動無線遠傳抄表系統應該具有計量準確、通信可靠、抄表方便、功耗低等遠程抄表系統的優點，以及節省人力、遠程監控、遠程維護的功能。
隨著無線通信技術的不斷發展，近年來出現了面向低成本設備無線聯網要求的技術，稱之為zigbee，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯網，我們采用zigbee技術和GPRS/CDMA技術結合，可以為電表的無線抄表提供很好的解決方案。

l 成 本

無論是家庭用戶，還是企業用戶，抄表終端的成本始終是繞不開的話題，特別是家庭用戶，對于成本更為敏感。這里的成本包括兩個部分：第一，一次性改造或者安裝的成本；第二，系統的運行成本。最好的方案應當是一次性投入的成本盡可能低，運行成本沒有或者非常低。

l 通信可靠性

這是無線抄表系統的最基本的要求，但同時又是不很容易解決定問題。

l 無線網絡的自組織、自愈功能

自組織：無需人工干預，網絡節點能夠感知其他節點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡；

自愈功能：增加或者刪除一個節點，節點位置發生變動，節點發生故障等等，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工干預，保證整個系統仍然能正常工作。

具備自組織、自愈能力的自動抄表網絡才是最理想的網絡， zigbee技術能夠很好地支持這種智能型的網絡。

Zigbee技術特點

通信可靠

系統采用了CSMA－CA的碰撞避免機制，避免了發送數據時的競爭和沖突；采用完全確認的數據傳輸機制，保證信息傳輸的可靠性；

網絡的自組織、自愈能力強

zigbee的自組織功能：無需人工干預，網絡節點能感知其他節點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡；

zigbee自愈功能：增加、刪除或移動節點，節點發生故障等等，網絡都能夠自我修復無需人工干預，保證整個系統仍然能正常工作。

成本低廉

設備的復雜程度低，且Zigbee協議是免專利費的，這些可以有效地降低設備成本；Zigbee的工作頻段靈活，為免執照頻段的2.4GHz，就是沒有使用費的無線通信。

網絡容量大

一個ZigBee網絡可以容納最多254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在200多個ZigBee網絡。

基于ZigBee技術的無線電力抄表系統解決方案

通過前面對電力抄表系統的技術要求分析，結合zigbee技術特點和技術優勢，采用zigbee技術來實現電表的無線抄表是一個非常理想的解決方案。
在實際應用中，我們選擇了將zigbee技術與GPRS/CDMA結合起來，根據抄表用戶的不同分布，來靈活地構建抄表的無線網絡。
對于每個抄表終端而言，要求超低功耗、低成本（包括設備成本、運行成本），并且數據的傳輸速率不高，對于居民小區的抄表，抄表終端通常分布較密集、距離較近，zigbee技術可以很好地滿足這些要求；
終端采集的數據需要送到電力公司的集抄管理中心，這可以通過GPRS/CDMA網絡來實現，它無距離限制，且無需網絡規劃、幾乎不需要維護；
所構建的zigbee網絡既可以是星形拓撲，也可以是網狀網絡拓撲，不論是哪種拓撲結構的zigbee網絡，根據實際的組網需要，設計合理的網絡結構。

采用MESH網狀網絡結構，保證數據傳輸的可靠性
每幢單元樓設置一個ZIGBEE遠端節點
一個小區設置一個ZIGBEE中心節點
ZIGBEE中心節點數據通過GPRS/CDMA或ADSL上傳到集抄中心

每樓層電表通過RS485總線連接ZIGBEE遠端節點
每幢單元樓設置一個ZIGBEE遠端節點，負責數據收發或作路由器
ZIGBEE遠端節點上傳到ZIGBEE中心節點

Zigbee技術方案優勢

目前的自動抄表系統，從數據傳輸角度劃分，可分為有線、無線兩大類，這兩大類抄表系統各有其適用的應用領域，但就抄表系統的投資、建設、維護等幾方面而言，無線抄表系統顯然具有更大優勢。
目前市場上的無線抄表系統大致可分為基于無線數傳模塊、基于GPRS/CDMA數字蜂窩網絡、或者是二者結合等幾種方式，從應用角度而言，都存在以下一種或幾種問題：
使用成本較高
GPRS/CDMA數據傳輸需要付費，對于家庭電表抄表來說，系統的運行成本很高；

網絡的自管理能力有限

采用無線數傳模塊，除了數據輪詢時間隨節點數增加而線形增加外，所組建的無線網絡的自管理功能非常有限，增加或者減少節點，都需要人工去修改相應的數據庫配置；節點出現故障，也常常需要人工去診斷等等；
抄表終端的供電問題難以很好地解決，由于抄表終端難以做到極低功耗，所以供電問題始終是一個瓶頸。