基于无线传感器网络的远程智能抄表系统设计

　　无线传感器网络

　　无线传感器网络技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术。它支持3种主要的自组织无线网络类型，即星状网、集群树状网和网状网三种拓扑。网状网是一种高可靠性的Ad Hoc网络，网状网的拓扑结构如图1所示。 

　　图1 WSN网状网络结构图

　　本文研究的基于无线传感器网络集中抄表系统采用网状网结构的无线传感器网络技术，实现用户采集器与集中器间的数据通信，通过CDMA/GPRS网络实现集中器与抄表中心之间的数据传输。

　　ZigBee技术

　　ZigBee是一种无线连接技术的商业化命名，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。 国际上，IEEE 802.15.4工作组及ZigBee联盟共同致力于该无线连接技术的推广工作，其中，IEEE 802.15.4工作组主要负责制定ZigBee物理层及MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有标准，以便于今后不同厂商设备的互连互通； ZigBee联盟则负责高层应用及市场推广工作。而于2002年成立的ZigBee联盟如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司的加入。目前，Freescale、TI等国际巨头都已推出了比较成熟的ZigBee开发平台。ZigBee标准基于802.15.4协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星状结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。

　　系统结构

　　GPRS网络是覆盖范围广，性能较为完善的无线网络，GPRS通信网本身具有较强的数据纠错能力，数据传输率较高可达128Kb/s能够保证数据传输的可靠性和实时性。用ZigBee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低；采用GPRS网络进行数据传输的模块体积小、功耗低，适合作为无线传感器网络的数据节点，ZigBee技术、GPRS网络数据传输与传感器技术相结合组成新兴的无线传感器网络。

　　WSN网络集中抄表系统整体采用分布式体系结构，用电管理中心与集中器之间(上层)数据的采集采用星状结构；集中器与采集器之间(下层)数据的采集采用网状网结构。无线抄表系统总体结构如图2所示。 

　　图2 无线抄表系统总体结构图

　　上层通信以电力局中心的系统主站为中心，通过GPRS/CDMA网络与分散于各物业小区的集中器连接，形成1对N的连接形式，实现集中器和数据中心系统的实时在线连接；下层通信包括集中器对电表参数的采集、存储、转发，以及转发上位机下达的指令和对电表进行控制操作等。出于成本与通信可靠性的考虑，设计了采集器。每栋居民楼设置一个采集器，电表通过RS-485总线与采集器进行通信，采集器通过WSN终端节点与小区中心的WSN中心节点及集中器进行通信。示意图如图3所示。 

　　图3 无线抄表系统总体示意图 

　　采用低成本的WSN组网技术，结合GPRS/CDMA网络组建了一个无线传输信道，缩短了单段的传输距离，削弱了信道衰减与干扰的影响，提高了信道传输的稳定性。

　　该无线抄表系统具有以下优点：

　　● 电表抄录数据及时、准确，系统的传输容量大。

　　● 可对电表设备进行远程控制、参数调整、开关等控制操作。

　　● 安装、维护方便，不需要进行专门布线。

　　● 集中抄表范围广，GPRS网络覆盖范围广，WSN技术使扩容无限制。

　　系统主要功能

　　系统通过电能表的RS-485总线数据接口或脉冲信号方式传输给采集器。采集器巡检各电能表RS-485总线数据或接收到多路脉冲信号后进行处理或计数，并将结果存储。

　　采集器与集中器的通信采用无线WSN模块，采集器平时处于接收状态，当接收到集中器的操作指令时，按照指令内容操作，将本采集器有关数据通过无线WSN模块送至集中器。

　　集中器可以定时或实时的对下辖的采集器进行数据抄收，并进行存储。当上级设备—管理中心计算机调用数据时，则将所存储的数据打包送上。管理中心计算机可以对集中器，并通过集中器对采集终端进行各种操作。