基于ZigBee和GPRS的电能量自动采集系统的设计

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摘 要:提出一套由RS-485总线、ZigBee无线局域网和GPRS蜂窝网络混合组网的远程电能量自动采集系统设计方案。详细介绍了系统的构成及工作原理。由于本系统避免了远程有线网络布线成本高、无线局域网通信距离近、GPRS网络通信费用贵的缺点,具有技术先进、易于实现、传输速率高、可靠性高、成本造价低、易于普及等优点,具有很广的应用前景。

关键词:电能量;自动采集;智能;ZigBee;GPRS

电能量自动采集系统是利用先进的计算机技术和通信技术自动获取和处理用户表数据的一种手段。是提高供电企业自动化管理水平的需要,也是计算机技术和通信技术迅速发展的必然。它能够避免传统抄表数据实时性差、准确率低的缺点,保证用户表具数据实时、准确的送到相关部门数据库。本文介绍一种使用ZigBee无线技术和GPRS(General Packet Radio Service)蜂窝网络技术混合组网的远程自动抄表设计方案。本自动抄表系统避免了远程有线网络布线及维护成本高、无线局域网通信距离近以及单纯使用GPRS网络通信费用贵的缺点,具有技术先进、易于实现、可靠性高、成本造价低、易于普及等优点,成为未来发展的趋势。

一、系统结构功能

本自动抄表系统主要由用户数字电能表、具有ZigBee发送模块采集终端、具有ZigBee接收模块集中器、主站服务器组成。采集终端与电能表之间的通信采用RS-485总线协议,基于单片机的嵌入式数据收发、处理系统,按国标协议通过RS-485总线抄取电能表数据。集中器与采集终端之间下行通信,采用zigbee透明网络通信来实现。主站与集中器之间上行通信,通过gprs通信模块实现。如图1所示。

图1中该智能远程抄表系统以半双工方式进行工作:在主站中央管理系统的指令下,通过上行信道GPRS发送抄表指令到集中器GPRS模块,集中器CPU利用下行信道ZigBee自组织网向网络中采集终端发出接受数据指令。采集器在接受到上位机指令后,向集中器通过网络上传通过RS-485总线采集来的数字式电能表的数据,集中器将电能量数据再次通过GPRS通信模块传回主站系统。即完成一次远程电能量采集。

二、通信方案选择

(一)上行信道――GPRS通信

主站与集中器之间通信通道称为上行通道,其结构主要以星形为主,以主站为中心,以星形发散通过通信信道与集中器连接形成一对多得连接构架。该结构特点是收到数据量较大,同时要求一定得传输速度和带宽。当前在实际系统使用中,主要分为有线传输和无线传输形式。有线形式主要有:电力线载波通信、电话线通信、光纤通信等;无线形式主要有:无线电台通信、移动网络通信(GPRS/GSM/CDMA)等。

GPRS传输方式作为GSM较为成熟的无线数据传输业务,允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据,而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。在GPRS信道上提供TCP/IP连接,可以用于Internet连接、数据传输等。

随着通讯技术的快速发展,GSM网络已经遍布了每一个角落,而在此网络上提供的GPRS数据传送业务资费甚至低于专网的维护费用,同时有着数据传输速率高、通信质量可靠、开发周期短、安装调试方便等显著优点。因此,上行通信选用GPRS通信模式日趋成为主流。

(二)下行信道――ZigBee通信

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,全球通用2.4GHZ频带传输,具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段的特点。它依据802.15.4标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。

ZigBee性能分析:

1.数据速率比较低。在2.4GHZ的频段虽然只有250Kb/S,除掉信道竞争应答和重传等消耗,真正能被应用所利用的速率可能不足100Kb/S,但是在集中器与采集终端上采集数据传输上已经远远能够胜任。

2.可靠性。在可靠性方面,ZigBee有很多方面进行保证.物理层采用了扩频技术,能够在一定程度上抵抗干扰。

3.能耗特性。能耗特性是ZigBee的一个技术优势,通常ZigBee节点所承载的应用数据速率都比较低,在不需要通信时,节点可以进入很低功耗的休眠状态,此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一。由于一般情况下,休眠时间占总运行时间的大部分,有时正常工作的时间还不到百分之一,因此达到很高的节能效果。

4.组网和路由性。网络层特性,因为ZigBee底层采用了直扩技术,如果采用非信标模式,网络可以扩展得很大,因为不需同步而且节点加入网络和重新加入网络的过程很快,一般可以做到1秒以内,甚至更快。ZigBee大规模的组网能力――每个网络60000个节点。这就有效解决采集点极度分散的矛盾,以及对采集点数量的限制。

5.时延。但是由于ZigBee采用随机接入MAC层,且不支持时分复用的信道接入方式,因此不能很好的支持一些实时的业务。

就ZigBee优点而言,在下行通信方式上是完全优于当前众多通信方式的。

三、硬件终端设计方案

(一)集中器设计

集中器主要硬件框图如图2所示,以单片机控制单元为核心,主要由电源供给电路、上行通信信道电路、下行通信信道电路、数据存储电路和LED显示电路等部分组成。集中器主要通过GPRS接受远端主站下达的指令通过ZigBee网络传送到ZigBee网络中的采集器,再将采集器执行后的结果抄录、累加、存储并打包传送给远端主站。

集中器作为整个系统的通信桥梁,它的工作情况决定了系统的可靠性和稳定性。

(二)采集器

采集终端负责接收多个电能表的电能量信息,经处理后储存在采集终端上,停电或复位后数据信息不应丢失和发生变化。采集终端主要需要具备以下功能:通过RS485接口与电能表通信功能,向电能表发送校时、初始化、读表等指令,接收电能表的电能量;通过ZigBee网络与集中器的通信功能,接收集中器的指令,并将操作结果返回集中器。其硬件结构框图如图3。

四、主站抄表

主站通信服务器在通过GPRS网络连接到集中器,自动、集中、定时地从远端集中器抄取电能量数据,存入数据库,管理部门可通过主站软件对用户的电能量进行统计,分析,按用电的峰、平、谷时间和季节自动高速复费率去核算每个用户的电价;通过银行向各用户自动完成转账收款、电费结算、打印收据;为电力部门提供有效的电网运行参数等。

五、结束语

本文主要介绍基于ZigBee和GPRS技术的电能量抄表系统构成方案,分析采用上述上行信道和下行信道优点,对终端硬件的提出结构设计方案。ZigBee无线技术在低速率远距离传输上因其各方面优点在家庭、智能楼宇、工业控制已得到普遍的应用,使用该设计方案,能够更好,更及时采集电能量数据,具有低能耗、覆盖面广、维护量小、建设时间短、费用低等优点,有着非常广阔的应用前景。

参考文献:

[1]付扬,姜美玲.基于GPRS和低压电力线载波通信的智能远程抄表系统的设计[J].工矿自动化,2009,(6).

[2]何志伟,宋雪娜.低压电力用户远程集中抄表系统通信信道技术浅析[J].电力标准化与技术经济,2006,(2).

[3]刘锋,潘永湘,毛芳仁.基于GPRS配电网自动化通信系统终端的设计与工程实现[J].电力自动化设备,2005,(1).

[4]杨旭雷,张浩.基于RS-485总线的测控系统串行通信协议及软硬件实现[J].电气自动化,2002,24(2):28-31.

[5]胡耀斌,谢静,杨益洲.低压电力线载波集中抄表集中器的设计[J].南华大学学报:自然科学版,2009,1(3).

[6]封瑜,葛万成.基于ZigBee技术的无线传感器网络构建与应用[J].电子工程师,2007,33(3):21-24.

[7]李庚.基于ZigBee的无线抄表系统[D].华东理工大学,2007.