基于ZigBee技术的无线智能抄表系统

岳鹏

（国网山东省电力公司济南市历城区供电公司，山东 济南 250000）

0 引言

ZigBee技术是基于IEEE802.15.4协议栈建立一种无线网络通信标准，拥有一个主节点和若干个外围节点，主节点对外围节点采用动态管理的方式，能够有效解决组网管理、网络节点的增加和删除以及智能传感器之间的数据传递[1]。ZigBee技术具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本等特点，主要用于短距离范围内功耗低并且传输速率不高的电子设备数据传输，以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，尤其是一些小型电子设备的无线控制指令传输，采用ZigBee技术的无线组网方式更加灵活、可靠，在工业应用中具有显著优势，尤其是在电网数据采集过程中的应用最为普遍[2]。下面就主要介绍基于ZigBee技术的无线智能抄表系统的设计与应用。

1 ZigBee技术评价

基于Zigbee技术的无线智能抄表系统，通过互联网通信技术可以和供电公司管理系统相连，实现抄表收费一体化管理[3]。在智能化电网迅速发展的大背景下，基于ZigBee技术的无线抄表系统具有功率消耗低、投资成本低、抗干扰能力强、网络容量大、安全可靠等优势，下文对ZigBee技术特点进行分析：

1.1 功率消耗低

ZigBee借助无线网络通信技术，组网形式简单，并且具备低功耗、低传输速率等优势，发射功率仅为1mW，并且具有休眠模式，能够有效延长设备的工作时间，日常使用过程中基于ZigBee技术的无线抄表系统非常省电。根据计算，每个ZigBee设备仅靠两节5号电池，就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间[4]。

1.2 投资成本低

基于ZigBee技术的无线抄表系统建网费用低、建设周期短、维护量小，不用占用耕地，无需人力检查线路，有效地降低了人力成本和物力成本，由此可见，低成本是ZigBee技术的关键特点。

1.3 响应时间短

ZigBee数据传输速率为10kb/s~250kb/s，响应速度较快，从休眠到激活只需要15ms，设备信道接入网络的时间仅为30ms，延时短而且能耗低。因此，ZigBee技术适用于复杂工况并且对能耗要求较严格的无线控制应用。

1.4 网络稳定性高

Zigbee网络的拓扑结构，各个节点和集中器之间存在多条通信路径，如果因环境等因素造成个别传感器节点故障或者失效，不会影响到整个网络的通信连接。此外，传感器节点和集中器之间存在多条通信路径，系统会匹配最优路径绕过故障节点传播信息，网关节点失效也不会影响到网络运行。

1.5 数据传输安全、可靠

Zigbee技术采用了三级安全措施确保数据传输的安全、可靠。第一层安措是对于一些安全性低或者上层已经提供足够安全保护措施的应用，系统可以直接允许应用进行数据传输；第二层安措可以通过介入控制清单的方式，检查应用数据的完整性，防止非法应用盗取数据信息；第三层是在数据传输过程中，采取AES对称密码，AES密钥长度为128、192、256位，运算速度快、安全性高、资源消耗低，在现阶段是最安全的加密算法，可以有效保证数据的安全性和完整性，防止非法用户的恶意攻击，适用于无线网络传感器的安全保障工作，尤其是在无线智能抄表系统中具有很广阔的应用前景[5]。

2 无线智能抄表系统的通信、组网设计

2.1 网络通信结构设计

ZigBee技术可以实现星形结构、树形结构以及网状结构三种网络拓扑结构，星形结构包含一个协调器节点和若干终端节点，每一个终端节点只能与协调器节点进行通信，终端节点之间无法相互进行通信，需要借助协调器进行信息转发；树形结构包含一个协调器和若干路由器节点和终端节点，协调器节点与路由器节点和终端节点互联，而子节点又可以分别连接其他路由节点和终端节点形成多个层级结构；网状结构同样包含一个协调器和若干路由器节点和终端节点，与树形拓扑结构相似，路由器节点之间可以互联通信，信息传播路径更加灵活，即使一个路径出现问题，信息也可以通过其他路径进行传输[6]。基于Zigbee技术的无线智能抄表系统采用的是网状拓扑结构，各个节点之间保持对等关系。在实际应用中，各个无线智能抄表设备在Zigbee网络结构中都属于节点。Zigbee无线智能抄表系统结构如下图1所示：

图1 无线智能抄表系统通信结构图Fig 1 Wireless Intelligent meter Reading system communication structure diagram

2.2 无线模块电路设计

无线智能抄表系统的无线模块，主要由电源电路、JN5139单片机模块、串口通信电路、外部储存电路、温度采集电路以及显示电路组成，无线模块电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和单片机接口电路三个部分。本文研究的基于ZigBee技术的无线智能抄表系统采用Zigbee SOC CC2530F256和高性能低功耗射频前端CC2591芯片，利用SMT工艺，工作在2.4GHZ ISM频段,数字IO接口全部接出，用处广泛。模块免除了客户射频开发的困难，软件方面支持TI-MAC,SimpliciTI,Z-Stack2.3.0,RomoTI等软件包，方便客户开发符合IEEE 802.15.4, Zigbee2007,Zigbee Pro和Zigbee RF4CE等标准或其它非标的产品。KB3031-KR 嵌入式GPRS DTU（Data Terminal Unit）是采用高性能的KB601Q GSM模块开发的GPRS低功耗无线数据传输模块，具有低功耗、性能稳定、体积小、性价比高的特点，成本低，有利于用户设备和系统的集成，也是专门针对水表、气表、流量计远程抄表的一款GPRS低功耗模块。

2.3 组网设计

基于Zigbee技术无线智能抄表系统的网络结构是以IEEE802.15.4为标准，不断拓展形成的网络结构，首先通过初始化设置网络PAN ID，创建基于PAN Co-ordinator短地址，一个网络只能匹配一个PAN Co-ordinator，一旦PAN Co-ordinator完成初始化就必须选择一个PAN ID作为网络标识，PAN Coordinator可以扫描多个频率通道，每个PAN Coordinator设备都具有一个固定的64位IEEE MAC地址，通常被定义为0x0000。然后选择射频频率，PAN Co-ordinator选择相应的射频频率通道建立无线网络。建立起无线网络后，其他的网络设备就可以加入该网络，需要加入网络的设备通过寻找PAN Co-ordinator之后就可以发出入网申请，系统审核是否具备足够的资源接受新的设备，并且决定是否同意加入网络，并进行数据传输。基于Zigbee技术无线智能抄表系统组网设计，如下图2所示：

图2 无线智能抄表系统组网设计Fig 2 Network design of wireless intelligent meter reading system

3 智能抄表系统软/硬件设计

3.1 硬件结构设计

基于ZigBee技术的无线智能抄表系统硬件结构，分为电能表数据采集器、中继器和集中器。电能器表数据采集可以和多个无线智能电表相连，相当于ZigBee网络结构中的节点，可以自由进行数据交换和管理功能；中继器可以增强ZigBee网络结构的稳定性，利用ZigBee网络的路由功能，实现对无线信号的中继和转发，对一些不能直接进行通信的节点提供无线信号，确保整个网络信息传输的流畅性；集中器负责整合系统内的电能数据，并且将这些数据传输到电力管理部门，通常一个无线智能抄表系统中只有一个集中器，在ZigBee网络中承担协调器的作用，同时还具有路由能力。

3.2 软件结构设计

基于Zigbee技术无线智能抄表系统采用分层分布式结构进行设计，分为现场设备层、网络通讯层和站控管理层三个部分。下面就分别从这三个层面对基于Zigbee技术无线智能抄表系统的软件设计进行详细分析：

3.2.1 现场设备层

现场设备层是无线智能抄表系统的基础单元，主要负责采集各类仪表的数据信息，这些仪表相当于Zigbee网络构架的端点，通过无线接口与集线器连接实现数据信息的远程传输，为电力公司的电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及电动机保护器等设备的控制指令传输提供数据支持。

3.2.2 网络通讯层

网络通讯层主要负责Zigbee网络的数据协调以及汇总各个端点的数据信息，并且对现场设备发送各种控制指令。因此，网络通讯层数据汇总以及处理的能力，直接决定着无线智能抄表系统工作的可靠性和稳定性。此外，网络通讯层为了能够提升无线智能抄表系统的抗干扰能力，在上机位配置光电隔离保护装置，避免网络中不稳定信号对其造成的干扰或破坏，最大限度的提升网络通讯层数据交换的稳定性。同时，软件系统将通过建立统一的认证机制，提升Zigbee网络的安全性，确保数据传输的完整性和保密性。

3.2.3 站控管理层

无线智能抄表系统的站控管理层是整个软件系统的核心单元，位于软件结构的最上层，直接面向配电网络的管理人员，主要是负责电表数据的存储、方便管理人员查阅历史数据，进行报表分析，是电网智能化管理的数据平台。本文研究的基于Zigbee技术无线智能抄表系统，采用STR912WA44嵌入式处理器，提供实时时钟或实时定时器，提供逻辑接口，支持VxWorks、Linux操作系统，适合于工业控制，并且具有功耗低、可扩展资源等特点，STR912WA44嵌入式处理器最大支持4个独立的64M外部存储器扩展，并且每一个外部存储器都具有8至16外数据通道，能够满足海量数据传输、汇总、处理以及存储的需求。

4 结论

综上所述，无线通信技术的发展有效地推动了电网智能化的进程，本文重点研究了基于ZigBee技术的无线抄表系统，采用无线通信技术进行数据传输，有效的降低了人力成本，而且还能保证数据传输的安全性、准确性、实时性，使电网管理部门能及时准确地获得数据信息[7]。伴随着ZigBee技术的不断完善和进步，ZigBee芯片功能会更加强大，研发成本也会不断降低，在未来智能电网领域，无线智能抄表系统将具有很广阔的应用前景。