探究基于Zigbbe技術的無線抄表系統

【摘要】相較于傳統的人工抄表方式，無線抄表系統能夠提高計量結果的準確性，幫助電力企業實時掌握各種用電信息和節約成本，提高用電企業的服務質量。而基于Zigbbe技術的無線抄表系統，又是無線抄表系統中非常具有實用價值的應用，因此本文將對其展開深入的探討。

【關鍵詞】Zigbbe技術；無線抄表系統；網絡協調器

【中圖分類號】TP274 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2012）09-0077-01

傳統的手工抄表不僅工作量大，而且準確性和及時性都難以得到保證，無法為電力部門實時掌握各種用電信息提供支持。相較于其他無線技術，Zigbbe技術因其低速率、低成本、低能耗和網絡容量大的優勢，日益成為了無線抄表系統的熱門技術。

1、Zigbbe技術和無線抄表系統的概述

1.1 Zigbbe技術的含義和特征

Zigbbe的基礎是IEEE 802.15.4，這是IEEE無線個人區域網工作組的一項標準，被稱作IEEE 802.15.4（Zigbbe）技術標準。Zigbbe不僅僅只是802.15.4的名字，IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，因此Zigbbe聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化，同時還開發了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄露其標識，而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其他節點獲得。

與其他無線技術相比，Zigbbe技術主要具有以下特征：數據傳輸速率低，僅有20k字節/秒至250k字節/秒；功率低，在低耗電待機模式下，兩節普通5號干電池可使用6～24個月；成本低，Zigbbe數據傳輸的速率較低，協議簡單，因此極大地降低了成本，而且Zigbbe協議免收專利費；網絡容量大，每個Zigbbe網絡最多可支持255個設備；時延短，通常時延都在15～30毫秒之間；可靠性高，Zigbbe提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時可以靈活確定其安全屬性；有效范圍小，有效覆蓋范圍在10～75米之間，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境；工作頻段靈活，使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執照頻段。

1.2 無線抄表系統的優勢

相較于傳統的人工抄表方式，無線抄表系統具有如下優勢：減少抄表的工作量，降低了抄表工作的成本；能夠及時、準確、可靠的抄讀電表；減少了抄表工作中人為因素的干擾，提高了抄表的質量和效率；擴充了電能表的計量功能，形成完善的智能化輔助計量系統，為多費率和多電價的實施創造了條件；增加了對用戶的控制手段，對超電力負荷的用電行為和不付費的用戶，可以實施有效的斷電控制；完善了用電的監控手段，對總表和子表問實現了能量平衡的實時對比，對用戶的竊電行為以及表計故障實現了有效的監控和記錄；容易實現保護自動化功能，加裝可控保險絲單元后，可實現對電氣設備有效的控制。

2、基于Zigbbe技術的無線抄表系統的方案設計

基于Zigbbe技術的無線抄表系統，是通過Zigbbe無線網絡將終端中的信息發送到協調器，然后再通過GPRS或者是無線測控網將信息從協調器發送到集抄中心。

2.1 無線抄表系統的組成

基于Zigbbe技術的無線抄表系統，主要由Zigbbe網絡協調器、信息集抄中心和Zigbbe終端收發器這三個部分組成，具體說來：

（1）Zigbbe網絡協調器。作為收集各無線數據傳輸模塊下傳來的數據和狀態的設備，無線數據集中器由存儲單元、傳輸單元、控制單元和時鐘單元組成，它能夠實時收集和存儲各種數據和運行狀態信息，并在系統停電時不丟失信息。無線數據集中器能夠記錄各個電表的數據和狀態產生時間，從而為后臺的計算機管理提供數據基礎。

（2）信息集抄中心。信息集抄中心是通過計算機管理系統接收各個Zigbbe網絡協調器或手抄器傳送過來的數據信息，然后進行集中處理。其實信息集抄中心還應該連接一個計算機管理系統，主要包括采集器管理、系統設備設置和收費管理，該系統主要完成對系統內各組成設備的管理和對數據的分類、統計和分析，從而產生各類數據報表。

（3）Zigbbe終端收發器。作為采集和傳輸各電表的讀數以及監控電表運行狀態的設備，無線數傳模塊由信號采集單元、無線數據傳輸單元和控制單元組成，其中控制單元采用低功耗高速單片機，具有控制功能強和低功耗的優點；無線數據傳輸單元采用高集成度和低功耗的無線數據傳輸芯片CC2420，具有連接簡潔和穩定可靠的優點。

2.2 無線抄表系統的關鍵技術

基于Zigbbe技術的無線抄表系統，涉及到很多技術，其中最為關鍵的技術為以下幾種：

（1）直接序列擴頻技術。所謂直接序列擴頻，就是用高速率的擴頻序列在發射端擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展開的擴頻信號還原為原來的信號。

（2）CSMA-CA技術。CSMA-CA技術是帶沖突避免的載波多路偵聽訪問技術，通過隨機退避減少數據發送沖突，它能夠降低無線信道傳輸數據時發生沖突的可能性，從而提高信號傳輸數據的成功率。

（3）CRC校驗編碼技術。采用CRC校驗時，發送方和接收方采用同一個生成多項式g（x），并且g（x）的首位和最后一位的系數均為1。CRC的處理方法是：發送方以g（x）去除t（x），得到余數作為CRC校驗碼。校驗時，以計算的校正結果是否為O為據，判斷數據幀是否出錯。

（4）MESH網絡技術。在無線MESH網絡中，任何無線設備節點都可以同時作為路由器和AP，網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，每個節點都可以與一個或者是多個對等節點進行直接通信。

（5）AES-128加密算法。AES-128加密算法是一種對稱加密算法，數據發信方將原始數據和加密密匙一起經過特殊加密算法處理后，使其變成復雜的加密密文發送出去，收信方收到密文后，若想解讀原文，則需要使用加密用過的密匙及相同算法的逆算法對密文進行解密，才能使其恢復成可讀明文。在對稱加密算法中，使用的密匙只有一個，發收信雙方都使用這個密匙對數據進行加密和解密，這就要求解密方事先知道加密密匙。AES一128加密算法提供128位密匙，因此具有很強的保密功能。

（6）Ad Hoc技術的網絡協議。Ad Hoc網絡是一種沒有有線基礎設施支持的移動網絡，網絡中的節點均有移動主機組成。在AdHoc網絡中，當兩個移動主機在彼此的通信覆蓋范圍內時，它們可以直接通信，否則需要通過它們之間的移動主機轉發才能夠實現。在Ad Hoc網絡中，每個主機的通信范圍有限，數據通過多個主機的轉發才能到達目的地，因此它也被成為多跳無線網絡。Ad Hoc網絡可以看作是移動通信和計算機網絡的交叉，它使用計算機網絡的分組交換機制，通信的主機一般是便攜式計算機和個人數字助理等移動終端設備。

3、小結

Zigbbe技術是一種短距離無線傳輸技術，具有數據傳輸速率低、省電、成本低、網絡容量大、時延短、安全可靠、有效范圍小和工作頻段靈活的特征。自動抄表系統是一種不需要人員到達現場就能夠完成抄讀用戶消耗電能的智能管理系統，它對于提高電力部門的管理水平和經濟效益具有重要的現實意義。將Zigbbe技術應用于無線抄表系統中，具有節約資源、操作方便、可靠性高和易于管理的優點，具有廣闊的市場應用前景。