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基于ZIGBEE無線網絡的電表集抄系統(tǒng)

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產品簡介

當前，范圍內智能電網建設正逐步展開，供電公司在構建新一代AMI（*計量體系）系統(tǒng)時，都會考慮采用多種通信技術混合組網的方式，以克服現有技術固有的一些不足，從而達到滿足系統(tǒng)性能和投資回報的要求。這些AMI系統(tǒng)要求包括：直接與每個表計通訊的高可靠性雙向信道、*的單次抄讀成功率、實時快速的系統(tǒng)響應、足夠的數據帶寬遠程斷/送電、無卡遠程預付費、未來費率的遠程調整等。當然，Z重要的是可以通過降低線損

詳細介紹

1.1 概述
當前，范圍內智能電網建設正逐步展開，供電公司在構建新一代AMI（*計量體系）系統(tǒng)時，都會考慮采用多種通信技術混合組網的方式，以克服現有技術固有的一些不足，從而達到滿足系統(tǒng)性能和投資回報的要求。這些AMI系統(tǒng)要求包括：直接與每個表計通訊的高可靠性雙向信道、*的單次抄讀成功率、實時快速的系統(tǒng)響應、足夠的數據帶寬遠程斷/送電、無卡遠程預付費、未來費率的遠程調整等。當然，zui重要的是可以通過降低線損、提高效率而獲得很高的投資回報。
盡管目前國內涉及自動抄表領域的廠家很多，并且產品復雜多樣，但通過綜合比較發(fā)現，自動抄表系統(tǒng)的基本構架如圖。

其中，上位機是放置在管理部門或監(jiān)控中心的計算機系統(tǒng)；集中器是區(qū)域集中數據的裝置；采集器是分區(qū)采集電表數據的裝置。這個系統(tǒng)組網方案中，上段信道可以采用有線市話、無線通信(包括GPRS/CDMA)、光纖通信等等，這些信道的可靠性勿庸置疑。然而現在自動抄表系統(tǒng)的通信問題多出在下段信道，也就是從集中器到電表這一段。這一段信道用量大，爭論也zui激烈。
現有的一些所謂的“zui后一公里”技術，例如：低壓電力線載波（PLC），RS485有線通訊都存在各種各樣的弊端。（見表1）
隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，近年來出現了面向低成本設備無線聯網要求的技術，稱之為ZIGBEE，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯網。
由于ZIGBEE的*特性，基于ZIGBEE技術的無線組網是一種比較合適的下行信道的實現手段。適合應用于一些短距離的無線網絡的組網，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網絡，適用于企業(yè)內部能耗監(jiān)測及管理系統(tǒng)，尤其適用于一些布線困難舊樓改造的能耗管理系統(tǒng)中。而若將其與成熟的工業(yè)以太網和GPRS/CDMA上行信道結合，與后臺管理主站組成一個完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠程管理提供一個有效的解決方案。

表1. ZIGBEE與其他“zui后一公里”技術的比較

1.2 ZIGBEE技術特點
ZIGBEE協(xié)議基于IEEE 802.15.4標準，從2004年發(fā)布ZIGBEE V1．0到的增加了ZIGBEE-PRO擴展指令集的ZIGBEE2006版本，ZIGBEE功能不斷強大。ZIGBEE具備強大的設備聯網功能(見圖2)，它支持3種主要的自組織無線網絡類型，即星型結構(Star)、網狀結構(Mesh)和樹型結構(Cluster Tree)，特別是網狀結構，具有很強的網絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通訊技術相比較，ZIGBEE的特點主要有：

圖2 ZIGBEE網絡拓撲分類

(1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD(Reduced Function Device，簡化功能器件)采用了休眠模式，不工作時都可以進入睡眠模式。
(2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4 KB代碼。
(3)低速率、短延時。ZIGBEE的zui大通信速率達到250 kb／s(工作在2．4 GHz時)，滿足低速率傳輸數據的應用需求。ZIGBEE的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。
(4)近距離，高容量。傳輸范圍一般介于10～100 m，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離，若通過路由和節(jié)點間通信的接力，擴展后達到幾百米甚至幾公里。ZIGBEE可采用星狀、片狀和網狀網絡結構。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，zui多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。
(6)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分別為2．4 GHz()、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

1.3 ZIGBEE無線通信抄表系統(tǒng)的體系結構
圖3為無線通信抄表系統(tǒng)網絡拓撲圖，整個網絡主要由四部分組成：計量儀表、本地無線通信網絡、遠方通信網絡以及數據交換設備。ZIGBEE無線通信抄表系統(tǒng)的體系結構也繼承了無線通信抄表系統(tǒng)，它的結構與無線抄表系統(tǒng)大致一樣，整個網絡也由計量儀表、ZIGBEE采集器（負責與計量儀表之間的通信）、ZIGBEE網絡終端（負責與上層通訊網絡的對接，譬如工業(yè)太網等）、上層通信網絡和數據交換存儲設備。ZIGBEE無線通信抄表系統(tǒng)一般采用的組網方式是MESH的網狀網絡，MESH網絡能更好得保證通信質量，保證單一節(jié)點出現故障時不影響其他節(jié)點通信狀態(tài)。

圖3 無線網絡拓撲圖

1.4 ZIGBEE無線抄表的解決方案
不管是有線還是無線，抄表系統(tǒng)總會受到環(huán)境、距離和場合等因素的影響而各有其不同的解決方案?；赯IGBEE抄表系統(tǒng)也不會脫離這個約束，它也會由環(huán)境、距離和場合等因素的影響而異，有不同的解決方案。由于ZIGBEE的定位是短距離的通信，應用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網絡時，它所考慮的因素相對要少。
圖4為ZIGBEE無線集抄系統(tǒng)單個子網組成示意圖，整個系統(tǒng)前面闡述的系統(tǒng)體系結構的組成一樣，主要由上行網絡工業(yè)以太網和下行網絡ZIGBEE無線局域網絡組成。整個子網主要由電表、ZIGBEE采集器以及ZIGBEE網絡終端組成。電表可以采用ACREL的1352系列卡式電能表和ACR網絡電力儀表等，它們與ZIGBEE采集器之間采用RS485通訊，采用MODBUS通信協(xié)議；ZIGBEE采集器下面zui多可以連接32個表；由于MODBUS地址有限，整個ZIGBEE子網中zui多能連接255個表；為了保障通信連接的可靠性，有的時候要視環(huán)境和距離的情況，需要多加幾個路由功能的網絡節(jié)點（ZIGBEE采集器配置成路由功能），以保證有些孤遠節(jié)點的通信正常；另外考慮到無線網絡的擁塞度和實時性傳輸，建議整個子網中的無線節(jié)點（即ZIGBEE采集器）的個數不應大于60個，這樣能保證網絡中的通信質量。每個ZIGBEE子網都有各自的ID識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴充更多的表計數。