ZigBee技术在无线自动抄表系统中的应用

　　摘要：本文基于ZigBee技术的无线自动抄表系统项目，深入研究了ZigBee相关技术及在自动抄表系统中的应用。针对户用计量仪表必须使用内置电池供电、使用时间长、电池不易更换，但对数据传输速率、实时性要求不高等特点，着重研究了解决户用计量仪表电源及降低无线模块功耗的问题。
　　关键词：ZigBee，自动抄表，无线技术，亚-硫酰氯
　　1引言
　　随着测量技术的飞速发展，人们生活、家居条件的智能化水平越来越高，将室内户用计量仪表中数据自动抄收已逐渐成为人们追求的目标。水、电、气、热等公共事业管理部门也希望新技术的应用能解决长期困扰他们的抄表难、收费难等问题，从而实现节省人力、减少企业流动资金占用、方便用户及提高管理水平的目的。ZigBee技术以其低功耗、通信可靠、网络容量大等特点为无线自动抄表领域提供了较合适的解决方案。
　　2Zigbee技术简介
　　随着数字通信和计算机技术的发展,提出了许多短距离无线通信的要求,对无线技术的网络化、标准化要求逐渐出现在人们面前,ZigBee技术便是其中之一。
　　ZigBee是依据IEEE802.15.4标准的一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,主要应用在短距离范围内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。ZigBee采用了2003年发布的IEEE802.15.4协议标准作为其物理层和媒体接入(MAC)层的标准协议。2001年8月成立的ZigBee技术联盟为不同厂家生产的设备提供了统一的解决方案,解决其相互间的兼容性问题。ZigBee技术的网络层由ZigBee技术联盟制定,应用层则由用户根据自己的应用需要对其开发利用。
　　3Zigbee通信协议
　　完整的ZigBee协议由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4工作组负责物理层和链路层标准。
　　3.1物理层
　　物理层提供了媒体访问控制层与无线物理通道之间的接口，主要完成：激活/休眠无线收发设备、对当前频道进行能量检测、链路质量指示、为载波检测多址与碰撞避免(CSMA-CA)进行空闲频道评估、频道选择、数据的发送及接收等。
　　3.2MAC层
　　IEEE802.15.4的MAC协议包括以下功能：设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理。MAC子层提供两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点(SAP)访问高层。通过MAC通用部分子层SAP(MCPS-SAP)访问MAC数据服务，用MAC层管理实体SAP(MLME-SAP)访问MAC管理服务。这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。
　　3.3网络层
　　网络层包括逻辑链路控制子层。802.2标准定义了LLC，并且通用于诸如802.3,802.11及802.15.1等系列标准中。而MAC子层与硬件联系较为紧密，并随不同的物理层实现而变化。网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑定服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些必须任务。
　　3.4应用层
　　应用层由应用支持子层(APS)、Zigbee设备对象(ZDO)及厂商定义的应用对象。应用支持子层(APS)的作用是维护设备绑定表，它具有根据服务及需求匹配两设备的能力，且通过边界的设备转发信息。应用支持子层(APS)的另一作用是设备发现，它能发现在工作范围内操作的其它设备。ZDO的职责是定义网络内其它设备的角色(如Zigbee协调器或末端设备)、发起或回应绑定请求、在网络设备间建立安全机制(如选择公共密钥、对称密钥等)等。厂商定义的应用对象根据ZigBee定义的应用描述执行具体的应用。
　　4无线抄表系统的硬件实现
　　一个完整的无线抄表系统包括：一户一只的户用计量仪表、根据需要的若干楼栋集中器、一台小区数据集中主机以及一台管理单位的管理服务器，具体框图如图1所示
　　
　　图1自动抄表系统原理框图
　　4.1户用计量仪表基本框图
　　户用计量仪表主要完成对用户水、气、热等使用情况的采集、累积及根据主机命令通过无线通信模块传出。同时，还可根据具体管理部门的要求，选择加入控制功能、显示及报警功能。其基本原理框图如图2所示。
　　
　　图2户用计量仪表基本框图
　　
　　4.2锂电池的选择
　　组成自动抄表系统的户用计量仪表需实时监控用户水、气、热等的使用情况，不允许断电或在断电前需可靠的切断能源供应，这是与其它家用电器、仪表在使用上较独特的地方。故在自动抄表系统中解决好户用计量仪表电源问题是十分关键的。
　　根据自动抄表系统中户用计量系统的要求：长期使用(数年)、不易更换，我们选择亚-硫酰氯电池来作为该系统的电源。选择适当容量的电池在户用计量仪表电源方案中亦相当重要，容量过小不能满足仪表寿命的需求。容量过大，又是一种浪费。一般在选择锂电池时应考虑仪表静态消耗、仪表工作消耗、电池本身自放电及留出富裕容量。亚-硫酰氯电池的特点是额定电压为3.6V，是目前锂电池系列中电压最高的；常温中等电流密度放电时，放电曲线极为平坦；电池可以在-40℃~+85℃范围内正常工作；年自放电率<=1%，贮存寿命10年以上。
　　5Zigbee各层协议的节能机制
　　在无线自动抄表系统中，网络的节能是一个非常重要的问题。由于户用计量仪表是安装在室内，使用时间长达数年，电池不便更换。过去30年间，电池制造技术一直没有取得突破性进展。由于受制造技术的限制，单位重量的电池容量很难有大幅度提高。在当前技术条件下，电池的容量每10年只能提高约20%左右。但另一方面我们可以在许多方面采取措施来降低仪表终端的能耗，既可以在硬件方面进行专门设计，也可以在软件上进行改进。在硬件方面，可以利用低功能CMOS器件、低功能显示技术、低功耗CPU等方面采取专门措施来降低终端能耗。这些技术目前较成熟，应用也较广。笔者对现有各种节能技术在本系统中应用的可能性深入研究后发现：物理层可以根据网络节点位置、判断RSSI值调节发射功率大小。在MAC层采用支持节点在不同的状态之间切换来提高能量利用率。无线自动抄表系统中网络层的节能机制必须既考虑路径中总的能量消耗，又必须考虑到单一节点的剩余能量，防止某些节点过度使用而成为系统的瓶颈点。因此，本系统研究的重点是在如何利用或设计无线通信协议栈各层，从而降低仪表终端通信子系统的耗电，以延长自动抄表系统中户用计量仪表的工作时间。
　　6结束语
　　虽然目前已有许多开发成功的无线抄表系统，但是Zigbee的优良性能、极低的功耗、高集成度和低价位，具有非常强大的市场竞争能力。但作为一个全新的标准，将其应用于自动抄表系统将面临诸多问题。提出、研究并解决这些问题正是本项目的动机。
　　
　　参考文献
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