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居民用電的計量收費，最常用的傳統方式是傳統的入戶(hù)抄表收費。但傳統的抄表方式不但費時(shí)費力，準確性和及時(shí)性得不到可靠的保證。而且存在入戶(hù)麻煩這樣的弊端，已不適應現代物業(yè)管理的需要。無(wú)線(xiàn)抄表系統具有省時(shí)、少人、少力，能提高工作效率、降低物業(yè)成本，并可及時(shí)準確地將用戶(hù)電表數據抄送上來(lái)，因而是抄表計費發(fā)展的趨勢。而在眾多無(wú)線(xiàn)技術(shù)中，Zigbee技術(shù)有著(zhù)獨特的優(yōu)勢，其低速率，低能耗，傳輸可靠，組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)正日益成為樓宇智能化中的熱門(mén)技術(shù)。 1 Zigbee技術(shù) 事實(shí)上，短距離通信具有多種技術(shù)方式。表1所列是幾種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的比較。在表1所列的幾種技術(shù)中，基于IEEE 802.15.4協(xié)議的ZigBee技術(shù)起源于本世紀初的一種具有代表性的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標準，其PHY層與MAC層協(xié)議由IEEE802.15.4工作小組制定，網(wǎng)絡(luò )層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應用層的開(kāi)發(fā)應用則可根據用戶(hù)自己的應用需要來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，因此，該技術(shù)能夠為用戶(hù)提供更加靈活機動(dòng)的組網(wǎng)方式。 2 無(wú)線(xiàn)抄表系統描述 本系統中的硬件模塊采用Helicomm公司的IP-Link 1221-2033模塊與MSP430以及按鍵和液晶顯示器件組成。用戶(hù)端則由一個(gè)電表和一個(gè)數傳模塊組成。經(jīng)過(guò)改裝，當表讀數增加時(shí)，ZigBee模塊計數相應增加，當達到預先設定的發(fā)送時(shí)間后(該時(shí)間可以設定)，系統即可向數據集中節點(diǎn)發(fā)送數據。 而在管理中心端，數據集中節點(diǎn)的ZigBee模塊具有數據融合處理的功能，它可以將采集的數據自動(dòng)記錄到本系統數據庫內，并根據抄表人員的操作指令顯示數據。 3 方案特點(diǎn) 本系統標準基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能，它可支持三種主要的自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型，即星型結構、網(wǎng)狀結構(mesh)和簇狀結構(cluster tree)，特別是網(wǎng)狀結構，具有很強的網(wǎng)絡(luò )健壯性和系統可靠性。 mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲結構具有強大的功能，該網(wǎng)絡(luò )的所有實(shí)體只要在通信范圍之內，都可以互相通信，如果沒(méi)有直接通路，還可以通過(guò)“多級跳”的方式來(lái)通信，此外，該拓撲結構還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡(luò )；除此之外，網(wǎng)絡(luò )還具備自組織和自愈功能。 本系統的設備十分省電。系統采用多種節電工作模式，可以確保兩節五號電池支持長(cháng)達6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，還可以確保通信的可靠。由于本系統采用了CSMA-CA的碰撞避免機制，同時(shí)還為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，因而避免了發(fā)送數據時(shí)的競爭和沖突。MAC層則采用完全確認的數據傳輸機制，每個(gè)發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息，此外，該系統網(wǎng)絡(luò )的自組織和自愈能力也很強。 本系統的自組織功能無(wú)需人工干預，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)就能夠感知其他節點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，以組成結構化的網(wǎng)絡(luò )；而Zigbee的自愈功能則可完成增加或者刪除一個(gè)節點(diǎn)，或在節點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)時(shí)處理。節點(diǎn)發(fā)生的故障等，以使網(wǎng)絡(luò )能夠自我修復，并對網(wǎng)絡(luò )拓撲結構進(jìn)行相應地調整，而無(wú)需人工干預，從而保證整個(gè)系統仍然能正常工作�？梢哉f(shuō)，具備自組織、自愈能力的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )才是自動(dòng)抄表系統最理想的通信方式。 本系統設備的復雜程度低，且Zigbee協(xié)議是免專(zhuān)利費的，因而可以有效地降低設備成本，同時(shí)ZigBee的工作頻段靈活，采用的是免執照頻段的2.4 GHz，也就是沒(méi)有使用費的無(wú)線(xiàn)通信。 本系統的網(wǎng)絡(luò )容量較大。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )可以容納多達245個(gè)從設備和一個(gè)主設備，一個(gè)區域內可以同時(shí)存在20多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )。 此外就是數據安全。ZigBee提供有數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)，各個(gè)應用也可以靈活確定其安全屬性。 對于每個(gè)抄表終端而言。往往要求超低功耗和低成本(包括設備成本、運行成本)，而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，此時(shí)ZigBee技術(shù)可以很好地滿(mǎn)足這些要求；終端采集的數據需要送到電力公司的集中抄表管理中心，這可以通過(guò)GPRS／CDMA網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現，而且無(wú)距離限制，又無(wú)需網(wǎng)絡(luò )規劃、幾乎不需要維護。另外，其所構建的ZigBee網(wǎng)絡(luò )既可以是星形拓撲，也可以是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲，但是，不論是哪種拓撲結構的Zig-Bee網(wǎng)絡(luò )，均可根據實(shí)際的組網(wǎng)需要設計合理的網(wǎng)絡(luò )結構。 4 系統設計 無(wú)線(xiàn)抄表終端通常由無(wú)線(xiàn)部分、顯示部分、CPU部分、按鍵部分等組成。無(wú)線(xiàn)部分主要基于CC2420芯片組成的Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊，這一部分是無(wú)線(xiàn)抄表系統的核心。在無(wú)線(xiàn)模塊內部，CPU可通過(guò)SPI口與CC2420通信并控制其狀態(tài)。顯示部分是基于LCD的全數字顯示系統，能夠在現場(chǎng)顯示抄表系統檢測到的流量值。按鍵部分則可通過(guò)對系統的控制來(lái)切換不同時(shí)間的流量值。本系統的整體結構如圖1所示。 本ZigBee技術(shù)在IEEE802.15.4協(xié)議基礎上，還增加了邏輯網(wǎng)絡(luò )、安全性和應用程序接口(API)標準，同時(shí)提供有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)星形、集群樹(shù)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，可以實(shí)現大區域網(wǎng)絡(luò )覆蓋和擴展，并可避免單點(diǎn)故障。此外，通過(guò)選用合適的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，也可以減少網(wǎng)絡(luò )的冗余度，降低系統的復雜度，提高系統的經(jīng)濟性。 5 射頻芯片的選擇 無(wú)線(xiàn)射頻模塊的開(kāi)發(fā)可采用Helicomm公司的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊IP-Linkl221-2033。IP-Link1221-2033是Helicomm公司推出的一款符合IEEE802.15.4規范的2.4 GHz射頻模塊，其射頻芯片為CC2420，可被用來(lái)開(kāi)發(fā)工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感及家庭組網(wǎng)等PAN網(wǎng)絡(luò )的ZigBee設備和產(chǎn)品。該器件包括眾多額外功能，是一款十分適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，以CBIOS工藝制成，只需極少外部元器件，而且性能穩定，功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數超過(guò)了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信設備所支持的數據傳輸率高達250kbos，可以實(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。 在二進(jìn)制模式下，IP-Link 1221-2033模塊可支持四種幀類(lèi)型，包括命令請求、命令響應、數據請求和確認幀。其中命令請求幀是用來(lái)查詢(xún)和配置命令網(wǎng)絡(luò )中遠處的IP-Linkl221-2033模塊，IP-Link 1221-2033模塊在接到命令請求幀后，會(huì )自動(dòng)返回一個(gè)命令響應幀，旨在向發(fā)出命令的模塊反饋執行結果。數據請求幀和確認幀主要服務(wù)于IP-Link 1221-2033模塊間的數據信息交換。 6 結束語(yǔ) 基于IEEE802.15.4的ZigBee技術(shù)以其無(wú)可比擬的優(yōu)勢在短距離無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)技術(shù)中得到了蓬勃發(fā)展�？梢钥隙�，在未來(lái)的幾年內，該技術(shù)依然是各大高校和研究機構研究的熱點(diǎn)。ZigBee技術(shù)具有廣闊的應用前景和市場(chǎng)價(jià)值，隨著(zhù)研究的不斷深入，ZigBee技術(shù)將應用于人們生活中的各個(gè)領(lǐng)域，并逐漸影響和改變人們的生活方式，使人們生活在一個(gè)充滿(mǎn)生機的現代化信息網(wǎng)絡(luò )之中。 |
