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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抄表收費。但傳統的抄表方式不但費時費力，準確性和及時性得不到可靠的保證。而且存在入戶麻煩這樣的弊端，已不適應現代物業管理的需要。無線抄表系統具有省時、少人、少力，能提高工作效率、降低物業成本，并可及時準確地將用戶電表數據抄送上來，因而是抄表計費發展的趨勢。而在眾多無線技術中，Zigbee技術有著獨特的優勢，其低速率，低能耗，傳輸可靠，組網靈活等特點正日益成為樓宇智能化中的熱門技術。 1 Zigbee技術 事實上，短距離通信具有多種技術方式。表1所列是幾種短距離無線通信技術的比較。在表1所列的幾種技術中，基于IEEE 802.15.4協議的ZigBee技術起源于本世紀初的一種具有代表性的短距離無線通信技術標準，其PHY層與MAC層協議由IEEE802.15.4工作小組制定，網絡層由ZigBee技術聯盟制定，應用層的開發應用則可根據用戶自己的應用需要來進行開發，因此，該技術能夠為用戶提供更加靈活機動的組網方式。 2 無線抄表系統描述 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。用戶端則由一個電表和一個數傳模塊組成。經過改裝，當表讀數增加時，ZigBee模塊計數相應增加，當達到預先設定的發送時間后(該時間可以設定)，系統即可向數據集中節點發送數據。 而在管理中心端，數據集中節點的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 本系統標準基于802.15.4協議棧而建立，具備了強大的設備聯網功能，它可支持三種主要的自組織無線網絡類型，即星型結構、網狀結構(mesh)和簇狀結構(cluster tree)，特別是網狀結構，具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。 mesh網狀網絡拓撲結構具有強大的功能，該網絡的所有實體只要在通信范圍之內，都可以互相通信，如果沒有直接通路，還可以通過“多級跳”的方式來通信，此外，該拓撲結構還可以組成極為復雜的網絡；除此之外，網絡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達6個月到2年左右的使用時間，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，同時還為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，因而避免了發送數據時的競爭和沖突。MAC層則采用完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，此外，該系統網絡的自組織和自愈能力也很強。 本系統的自組織功能無需人工干預，網絡節點就能夠感知其他節點的存在，并確定連接關系，以組成結構化的網絡；而Zigbee的自愈功能則可完成增加或者刪除一個節點，或在節點位置發生變動時處理。節點發生的故障等，以使網絡能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，而無需人工干預，從而保證整個系統仍然能正常工作。可以說，具備自組織、自愈能力的無線通信網絡才是自動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協議是免專利費的，因而可以有效地降低設備成本，同時ZigBee的工作頻段靈活，采用的是免執照頻段的2.4 GHz，也就是沒有使用費的無線通信。 本系統的網絡容量較大。一個ZigBee網絡可以容納多達245個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在20多個ZigBee網絡。 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，各個應用也可以靈活確定其安全屬性。 對于每個抄表終端而言。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中抄表管理中心，這可以通過GPRS／CDMA網絡來實現，而且無距離限制，又無需網絡規劃、幾乎不需要維護。另外，其所構建的ZigBee網絡既可以是星形拓撲，也可以是網狀網絡拓撲，但是，不論是哪種拓撲結構的Zig-Bee網絡，均可根據實際的組網需要設計合理的網絡結構。 4 系統設計 無線抄表終端通常由無線部分、顯示部分、CPU部分、按鍵部分等組成。無線部分主要基于CC2420芯片組成的Zigbee無線通信模塊，這一部分是無線抄表系統的核心。在無線模塊內部，CPU可通過SPI口與CC2420通信并控制其狀態。顯示部分是基于LCD的全數字顯示系統，能夠在現場顯示抄表系統檢測到的流量值。按鍵部分則可通過對系統的控制來切換不同時間的流量值。本系統的整體結構如圖1所示。 本ZigBee技術在IEEE802.15.4協議基礎上，還增加了邏輯網絡、安全性和應用程序接口(API)標準，同時提供有靜態和動態星形、集群樹和網狀網絡結構，可以實現大區域網絡覆蓋和擴展，并可避免單點故障。此外，通過選用合適的網絡拓撲結構，也可以減少網絡的冗余度，降低系統的復雜度，提高系統的經濟性。 5 射頻芯片的選擇 無線射頻模塊的開發可采用Helicomm公司的無線收發模塊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，可被用來開發工業無線傳感及家庭組網等PAN網絡的ZigBee設備和產品。該器件包括眾多額外功能，是一款十分適用于ZigBee產品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術，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。利用此芯片開發的無線通信設備所支持的數據傳輸率高達250kbos，可以實現多點對多點的快速組網。 在二進制模式下，IP-Link 1221-2033模塊可支持四種幀類型，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查詢和配置命令網絡中遠處的IP-Linkl221-2033模塊，IP-Link 1221-2033模塊在接到命令請求幀后，會自動返回一個命令響應幀，旨在向發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于IP-Link 1221-2033模塊間的數據信息交換。 6 結束語 基于IEEE802.15.4的ZigBee技術以其無可比擬的優勢在短距離無線個域網技術中得到了蓬勃發展。可以肯定，在未來的幾年內，該技術依然是各大高校和研究機構研究的熱點。ZigBee技術具有廣闊的應用前景和市場價值，隨著研究的不斷深入，ZigBee技術將應用于人們生活中的各個領域，并逐漸影響和改變人們的生活方式，使人們生活在一個充滿生機的現代化信息網絡之中。 |
