基于ZIGBEE无线网络的电表集抄系统

1.1 概述
当前，全球范围内智能电网建设正逐步展开，供电公司在构建新一代AMI（先进计量体系）系统时，都会考虑采用多种通信技术混合组网的方式，以克服现有技术固有的一些不足，从而达到满足系统性能和投资回报的要求。这些AMI系统要求包括：直接与每个表计通讯的高可靠性双向信道、极高的单次抄读成功率、实时快速的系统响应、足够的数据带宽远程断/送电、无卡远程预付费、未来费率的远程调整等。当然，最重要的是可以通过降低线损、提高效率而获得很高的投资回报。
尽管目前国内涉及自动抄表领域的厂家很多，并且产品复杂多样，但通过综合比较发现，自动抄表系统的基本构架如图。

其中，上位机是放置在管理部门或监控中心的计算机系统；集中器是区域集中数据的装置；采集器是分区采集电表数据的装置。这个系统组网方案中，上段信道可以采用有线市话、无线通信(包括GPRS/CDMA)、光纤通信等等，这些信道的可靠性勿庸置疑。然而现在自动抄表系统的通信问题多出在下段信道，也就是从集中器到电表这一段。这一段信道用量大，争论也最激烈。
现有的一些所谓的“最后一公里”技术，例如：低压电力线载波（PLC），RS485有线通讯都存在各种各样的弊端。（见表1）
随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为ZIGBEE，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。
由于ZIGBEE的优越特性，基于ZIGBEE技术的无线组网是一种比较合适的下行信道的实现手段。适合应用于一些短距离的无线网络的组网，例如写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等无线抄表网络，适用于企业内部能耗监测及管理系统，尤其适用于一些布线困难旧楼改造的能耗管理系统中。而若将其与成熟的工业以太网和GPRS/CDMA上行信道结合，与后台管理主站组成一个完整的集抄和监控系统，则可以为远程管理提供一个有效的解决方案。

表1. ZIGBEE与其他“最后一公里”技术的比较

1.2 ZIGBEE技术特点
ZIGBEE协议基于IEEE 802.15.4标准，从2004年发布ZIGBEE V1．0到的增加了ZIGBEE-PRO扩展指令集的ZIGBEE2006版本，ZIGBEE功能不断强大。ZIGBEE具备强大的设备联网功能(见图2)，它支持3种主要的自组织无线网络类型，即星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和树型结构(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。与目前普遍应用的wi-Fi、Bluetooth等短距离无线通讯技术相比较，ZIGBEE的特点主要有：

图2 ZIGBEE网络拓扑分类

(1)工作周期短、收发信息功耗较低，并且RFD(Reduced Function Device，简化功能器件)采用了休眠模式，不工作时都可以进入睡眠模式。
(2)低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4 KB代码。
(3)低速率、短延时。ZIGBEE的最大通信速率达到250 kb／s(工作在2．4 GHz时)，满足低速率传输数据的应用需求。ZIGBEE的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。
(4)近距离，高容量。传输范围一般介于10～100 m，在增加RF发射功率后，亦可增加到1~3 km。这指的是相邻节点间的距离，若通过路由和节点间通信的接力，扩展后达到几百米甚至几公里。ZIGBEE可采用星状、片状和网状网络结构。由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点。
(6)免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(Industrial Scientific Medical，ISM)频段，分别为2．4 GHz(全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。

1.3 ZIGBEE无线通信抄表系统的体系结构
图3为无线通信抄表系统网络拓扑图，整个网络主要由四部分组成：计量仪表、本地无线通信网络、远方通信网络以及数据交换设备。ZIGBEE无线通信抄表系统的体系结构也继承了无线通信抄表系统，它的结构与无线抄表系统大致一样，整个网络也由计量仪表、ZIGBEE采集器（负责与计量仪表之间的通信）、ZIGBEE网络终端（负责与上层通讯网络的对接，譬如工业太网等）、上层通信网络和数据交换存储设备。ZIGBEE无线通信抄表系统一般采用的组网方式是MESH的网状网络，MESH网络能更好得保证通信质量，保证单一节点出现故障时不影响其他节点通信状态。

图3 无线网络拓扑图

1.4 ZIGBEE无线抄表的解决方案
不管是有线还是无线，抄表系统总会受到环境、距离和场合等因素的影响而各有其不同的解决方案。基于ZIGBEE抄表系统也不会脱离这个约束，它也会由环境、距离和场合等因素的影响而异，有不同的解决方案。由于ZIGBEE的定位是短距离的通信，应用于写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等无线抄表网络时，它所考虑的因素相对要少。
图4为ZIGBEE无线集抄系统单个子网组成示意图，整个系统前面阐述的系统体系结构的组成一样，主要由上行网络工业以太网和下行网络ZIGBEE无线局域网络组成。整个子网主要由电表、ZIGBEE采集器以及ZIGBEE网络终端组成。电表可以采用ACREL的1352系列卡式电能表和ACR网络电力仪表等，它们与ZIGBEE采集器之间采用RS485通讯，采用MODBUS通信协议；ZIGBEE采集器下面最多可以连接32个表；由于MODBUS地址有限，整个ZIGBEE子网中最多能连接255个表；为了保障通信连接的可靠性，有的时候要视环境和距离的情况，需要多加几个路由功能的网络节点（ZIGBEE采集器配置成路由功能），以保证有些孤远节点的通信正常；另外考虑到无线网络的拥塞度和实时性传输，建议整个子网中的无线节点（即ZIGBEE采集器）的个数不应大于60个，这样能保证网络中的通信质量。每个ZIGBEE子网都有各自的ID识别和频段的划分，这样可以帮助扩充更多的表计数。

图4 ZIGBEE无线集抄系统单个子网组成示意图

1.5 性能参数

1.6接线方式

1.6.1 ZIGBEE采集器

1.6.2 ZIGBEE网络终端

1.7外形与安装尺寸(mm)
1.7.1 ZIGBEE采集器

1.7.2 ZIGBEE网络终端

1.7.3 安装方式
采用35mm标准导轨安装