基于ZigBee和GPRS的電能量自動采集系統的設計

摘 要:提出一套由RS-485總線、ZigBee無線局域網和GPRS蜂窩網絡混合組網的遠程電能量自動采集系統設計方案。詳細介紹了系統的構成及工作原理。由于本系統避免了遠程有線網絡布線成本高、無線局域網通信距離近、GPRS網絡通信費用貴的缺點，具有技術先進、易于實現、傳輸速率高、可靠性高、成本造價低、易于普及等優點，具有很廣的應用前景。

關鍵詞:電能量;自動采集;智能;ZigBee;GPRS

電能量自動采集系統是利用先進的計算機技術和通信技術自動獲取和處理用戶表數據的一種手段。是提高供電企業自動化管理水平的需要，也是計算機技術和通信技術迅速發展的必然。它能夠避免傳統抄表數據實時性差、準確率低的缺點，保證用戶表具數據實時、準確的送到相關部門數據庫。本文介紹一種使用ZigBee無線技術和GPRS(General Packet Radio Service)蜂窩網絡技術混合組網的遠程自動抄表設計方案。本自動抄表系統避免了遠程有線網絡布線及維護成本高、無線局域網通信距離近以及單純使用GPRS網絡通信費用貴的缺點，具有技術先進、易于實現、可靠性高、成本造價低、易于普及等優點，成為未來發展的趨勢。

一、系統結構功能

本自動抄表系統主要由用戶數字電能表、具有ZigBee發送模塊采集終端、具有ZigBee接收模塊集中器、主站服務器組成。采集終端與電能表之間的通信采用RS-485總線協議，基于單片機的嵌入式數據收發、處理系統，按國標協議通過RS-485總線抄取電能表數據。集中器與采集終端之間下行通信，采用ZigBee透明網絡通信來實現。主站與集中器之間上行通信，通過GPRS通信模塊實現。如圖1所示。

圖1中該智能遠程抄表系統以半雙工方式進行工作:在主站中央管理系統的指令下，通過上行信道GPRS發送抄表指令到集中器GPRS模塊，集中器CPU利用下行信道ZigBee自組織網向網絡中采集終端發出接受數據指令。采集器在接受到上位機指令后，向集中器通過網絡上傳通過RS-485總線采集來的數字式電能表的數據，集中器將電能量數據再次通過GPRS通信模塊傳回主站系統。即完成一次遠程電能量采集。

二、通信方案選擇

(一)上行信道——GPRS通信

主站與集中器之間通信通道稱為上行通道，其結構主要以星形為主，以主站為中心，以星形發散通過通信信道與集中器連接形成一對多得連接構架。該結構特點是收到數據量較大，同時要求一定得傳輸速度和帶寬。當前在實際系統使用中，主要分為有線傳輸和無線傳輸形式。有線形式主要有:電力線載波通信、電話線通信、光纖通信等;無線形式主要有:無線電臺通信、移動網絡通信(GPRS/GSM/CDMA)等。

GPRS傳輸方式作為GSM較為成熟的無線數據傳輸業務，允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務。特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。在GPRS信道上提供TCP/IP連接，可以用于Internet連接、數據傳輸等。

隨著通訊技術的快速發展，GSM網絡已經遍布了每一個角落，而在此網絡上提供的GPRS數據傳送業務資費甚至低于專網的維護費用，同時有著數據傳輸速率高、通信質量可靠、開發周期短、安裝調試方便等顯著優點。因此，上行通信選用GPRS通信模式日趨成為主流。

(二)下行信道——ZigBee通信

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，全球通用2.4GHZ頻帶傳輸，具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量、高安全及免執照頻段的特點。它依據802.15.4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。

ZigBee性能分析:

1.數據速率比較低。在2.4GHZ的頻段雖然只有250Kb/S，除掉信道競爭應答和重傳等消耗，真正能被應用所利用的速率可能不足100Kb/S，但是在集中器與采集終端上采集數據傳輸上已經遠遠能夠勝任。

2.可靠性。在可靠性方面，ZigBee有很多方面進行保證.物理層采用了擴頻技術，能夠在一定程度上抵抗干擾。

3.能耗特性。能耗特性是ZigBee的一個技術優勢，通常ZigBee節點所承載的應用數據速率都比較低，在不需要通信時，節點可以進入很低功耗的休眠狀態，此時能耗可能只有正常工作狀態下的千分之一。由于一般情況下，休眠時間占總運行時間的大部分，有時正常工作的時間還不到百分之一，因此達到很高的節能效果。

4.組網和路由性。網絡層特性，因為ZigBee底層采用了直擴技術，如果采用非信標模式，網絡可以擴展得很大，因為不需同步而且節點加入網絡和重新加入網絡的過程很快，一般可以做到1秒以內，甚至更快。ZigBee大規模的組網能力——每個網絡60000個節點。這就有效解決采集點極度分散的矛盾，以及對采集點數量的限制。

5.時延。但是由于ZigBee采用隨機接入MAC層，且不支持時分復用的信道接入方式，因此不能很好的支持一些實時的業務。

就ZigBee優點而言，在下行通信方式上是完全優于當前眾多通信方式的。

三、硬件終端設計方案

(一)集中器設計

集中器主要硬件框圖如圖2所示，以單片機控制單元為核心，主要由電源供給電路、上行通信信道電路、下行通信信道電路、數據存儲電路和LED顯示電路等部分組成。集中器主要通過GPRS接受遠端主站下達的指令通過ZigBee網絡傳送到ZigBee網絡中的采集器，再將采集器執行后的結果抄錄、累加、存儲并打包傳送給遠端主站。

集中器作為整個系統的通信橋梁，它的工作情況決定了系統的可靠性和穩定性。

(二)采集器

采集終端負責接收多個電能表的電能量信息，經處理后儲存在采集終端上，停電或復位后數據信息不應丟失和發生變化。采集終端主要需要具備以下功能:通過RS485接口與電能表通信功能，向電能表發送校時、初始化、讀表等指令，接收電能表的電能量;通過ZigBee網絡與集中器的通信功能，接收集中器的指令，并將操作結果返回集中器。其硬件結構框圖如圖3。

四、主站抄表

主站通信服務器在通過GPRS網絡連接到集中器，自動、集中、定時地從遠端集中器抄取電能量數據，存入數據庫，管理部門可通過主站軟件對用戶的電能量進行統計，分析，按用電的峰、平、谷時間和季節自動高速復費率去核算每個用戶的電價;通過銀行向各用戶自動完成轉賬收款、電費結算、打印收據;為電力部門提供有效的電網運行參數等。

五、結束語

本文主要介紹基于ZigBee和GPRS技術的電能量抄表系統構成方案，分析采用上述上行信道和下行信道優點，對終端硬件的提出結構設計方案。ZigBee無線技術在低速率遠距離傳輸上因其各方面優點在家庭、智能樓宇、工業控制已得到普遍的應用，使用該設計方案，能夠更好，更及時采集電能量數據，具有低能耗、覆蓋面廣、維護量小、建設時間短、費用低等優點，有著非常廣闊的應用前景。

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