基于Zigbee 无线传感器网络的远程抄表设计

时间：2024-05-04

文/黄定懿

随着城乡建设的不断发展，独立电表数量的增加，大大提高了抄表难度，如何实现自动化抄表就成了电业部门非常重视的问题。目前用户电表大部分设置在室外，露天布线容易出现断线、短路等问题。如果运用Zigbee 无线传感器技术，能够实现低耗电、低数据量传输，符合抄表需求，结合GPRS 等技术又能很好的补充Zigbee 无线传感器的短处。

1 Zigbee无线传感器网络技术

无线传感器网络是近年来受到广泛关注的一项数据传输技术，其特点是知识高度集成、多学科交叉等。这类技术融合了无线通信、现代网络、嵌入式计算机、传感器等方面的先进技术，主要是使用多种微型传感器实现数据采集、传输以及环境监测、感知等目的。数据无线传输是这项技术的特点之一，有效提高了数据的传输效率和便捷性。

2 系统总体结构设计

远程抄表系统主要分为两层，即GPRS网络和Zigbee 无线网络，分别是系统的上层和底层。系统底层可以采用网络拓扑技术和需求唤醒技术来降低Zigbee 无线传感器的功耗，同时能够减少每个节点向上级节点汇报数据时可能出现的碰撞问题，GPRS 网络用于汇节点数据的传输。传统的基于无线传感器网络抄表，需要使用公共网络传输数据，数据传输速度限制较大，而采用Zigbee 无线传感器网络进行远程抄表则基本不存在这个问题。

系统的主要结构包括采集器、集中器和管理中心，顾名思义，采集器就是用来采集电表信息的，将信息进行处理后，通过Zigbee 无线传感器网络发送给集中器，集中器的主要作用是协调整个网络，将接收到的信息进行分析和处理，并将其加入到本地数据库中，然后将数据和数据包发送给管理中心，管理中心计算和处理这些数据，也能够发出信息来控制抄表系统。

2.1 小区组网设计

由于有新建小区和旧小区，对于不同小区组网设计也要分情况进行。新建小区都实行了统一规划，水、电、气三表统一管理，旧小区大部分未实现统一管理，电表不太集中。使用Zigbee 无线传感器网络进行组网进而实现无线抄表，能够兼顾系统成本、稳定性等多方面因素，实现无线网络和有线网络相结合的抄表系统设计。

在整个小区中用无线公网进行通信，小区居民楼各个楼层之间采用Zigbee 无线网络，而楼层内则采用有线网络连接的方式。小区内采用网状网络结构，每个小区设置一个中心节点，每个采集不多于十个用户的水、电、气表的数据，通过Zigbee 网络将各个小区的节点数据传输到中心节点，然后通过GPRS 网络传输到管理中心。

2.2 远程抄表监控软件的设计

监控软件的主要作用是采集数据和传输数据，因此软件设计只需要注重这两个方面的功能即可，每个功能实现之后，将其作为模块嵌入到主程序中，可以由主程序操作和调用。使用软件或者系统之前，首先要进行复位，这样硬件设备才能够恢复到初始状态，然后进入程序执行过程。远程抄表系统的主程序的执行是一个无限循环的过程，除非断电或者遇到强烈的干扰，否则程序会一直执行。系统通电后启动，然后会自动复位初始化，硬件随即恢复到初始状态，然后系统会检查网络状况，如果尚未联网则会申请加入网络中，连接成功后系统会发送抄表命令，采集电表数据后将其传输到监控平台，同时还要将数据保存在数据库中。

2.3 数据采集和处理程序设计

系统初始化完成并联网后，节点就会开始采集数据，将数据传输给父节点的时间间隔一般为10 秒，也就是每个节点每隔10 秒会采集一次数据并传输。采集的数据通过Zigbee 网络和GPRS 网络进行传输，集中器会处理这部分信息，可以给Zigbee 节点发送指令，也可以将数据传输给管理中心，这几种传输过程采用的都是串口通信的方式。如果GPRS 网络产生了中断信息，系统会判断信息是不是集中器产生的，如果是则修改参数，如果不是，则需要判断是否将信息传送给Zigbee 网络。对于Zigbee 网络产生的中断信息，系统会判断是否要将中断信息上传，不需要的话则直接丢弃中断信号，如果需要上传则读取系统时钟信号并将中断信息保存在数据库中。

2.4 管理中心的功能设计

管理中心的核心是计算机系统，一般采用的是微软操作系统，同时配置了抄表软件。计算机的管理中心有友好的操作界面，能够实现自动检索数据、存储数据和查询等功能，远程抄表软件则包括收费系统、数据管理系统等若干子系统，子系统有具有若干模块，能够实现较为丰富的管理功能。后台使用了SQL 数据库，这种数据库具有集成性好、性价比高等优点，在微软操作系统环境中使用能够发挥很好的效果。