基于無線傳感器網絡的遠程智能抄表系統設計

無線傳感器網絡
無線傳感器網絡技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的技術。它支持3種主要的自組織無線網絡類型，即星狀網、集群樹狀網和網狀網三種拓撲。網狀網是一種高可靠性的Ad Hoc網絡，網狀網的拓撲結構如圖1所示。

圖1 WSN網狀網絡結構圖

本文研究的基于無線傳感器網絡集中抄表系統采用網狀網結構的無線傳感器網絡技術，實現用戶采集器與集中器間的數據通信，通過CDMA/GPRS網絡實現集中器與抄表中心之間的數據傳輸。

ZigBee技術
ZigBee是一種無線連接技術的商業化命名，該無線連接技術主要解決低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯網應用。 國際上，IEEE 802.15.4工作組及ZigBee聯盟共同致力于該無線連接技術的推廣工作，其中，IEEE 802.15.4工作組主要負責制定ZigBee物理層及MAC層的協議，其余協議主要參照和采用現有標準，以便于今后不同廠商設備的互連互通； ZigBee聯盟則負責高層應用及市場推廣工作。而于2002年成立的ZigBee聯盟如今已經吸引了上百家芯片公司、無線設備公司的加入。目前，Freescale、TI等國際巨頭都已推出了比較成熟的ZigBee開發平臺。ZigBee標準基于802.15.4協議棧而建立，具備了強大的設備聯網功能，它支持三種主要的自組織無線網絡類型，即星狀結構、網狀結構(Mesh)和簇狀結構(Cluster tree)，特別是網狀結構，具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。

系統結構
GPRS網絡是覆蓋范圍廣，性能較為完善的無線網絡，GPRS通信網本身具有較強的數據糾錯能力，數據傳輸率較高可達128Kb/s能夠保證數據傳輸的可靠性和實時性。用ZigBee技術組成的無線傳感器網絡結構簡單、體積小、成本低；采用GPRS網絡進行數據傳輸的模塊體積小、功耗低，適合作為無線傳感器網絡的數據節點，ZigBee技術、GPRS網絡數據傳輸與傳感器技術相結合組成新興的無線傳感器網絡。

WSN網絡集中抄表系統整體采用分布式體系結構，用電管理中心與集中器之間(上層)數據的采集采用星狀結構；集中器與采集器之間(下層)數據的采集采用網狀網結構。無線抄表系統總體結構如圖2所示。

圖2 無線抄表系統總體結構圖

上層通信以電力局中心的系統主站為中心，通過GPRS/CDMA網絡與分散于各物業小區的集中器連接，形成1對N的連接形式，實現集中器和數據中心系統的實時在線連接；下層通信包括集中器對電表參數的采集、存儲、轉發，以及轉發上位機下達的指令和對電表進行控制操作等。出于成本與通信可靠性的考慮，設計了采集器。每棟居民樓設置一個采集器，電表通過RS-485總線與采集器進行通信，采集器通過WSN終端節點與小區中心的WSN中心節點及集中器進行通信。示意圖如圖3所示。

圖3 無線抄表系統總體示意圖