基于ZigBee技术的无线自动抄表系统

摘要

ZigBee是一个最近新出现的无线通信技术，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间。ZigBee的物理层和数据链路层由IEEE 802.15.4工作组制定，高层（网络层、数据安全性及互边互通应用）由ZigBee联盟负责。蓝牙、WLAN技术，由于协议复杂、成本高、耗电等，在上述应用领域中的推广应用遇到较大的困难。 ZigBee技术在户用计量仪表组网，建立无线自动抄表系统，具有很好的市场前景，但是还有很多具有挑战性的问题需要解决。其中包括电源问题、各层协议的节能机制、自组织自适应网络组网等问题。本文将在亲身参加户用计量仪表开发研究的基础上，参考国外许多专家学者提出的一些协议，对该问题进行进一步的研究。 本文通过比较传统人工抄表、IC卡预付费表、有线抄表系统及无线抄表系统的优缺点，认为无线抄表系统以其技术先进、易于实现、传输速率高、可靠性高、成本造价低、易于普及等特点，将成为未来发展的趋势。作者对无线局域网(WLAN)、GSM/GPRS、蓝牙技术、WirelessUSB LR技术等无线通信技术作了分析，得出了ZigBee技术具有协议简单、成本低、功耗小、组网容易等优点，最适合应用于无线自动抄表系统的结论。 作者还研究了ZigBee技术的基本原理，深入分析了物理层、媒体访问控制层、网络层、应用层等各层协议。给出了无线自动抄表系统的结构框图、各部分在系统中的功能以及户用计量仪表的原理框图、基本电路图、主要硬件选型,研究了各种自动抄表系统的组网技术，提出一种实用的组网方案。 由于无线自动抄表系统中的仪表要依靠自身携带的电池供电，寿命需达数年且更换不方便，因此选用合适的内置电池显得至关重要。锂-亚硫酰氯电池以其极低的自放电、较大的容量、出色的高低温性能，完全能够满足户用计量仪表长期使用的要求。本文研究了锂电池有关技术及选型注意项，对长期困扰设计者的锂亚硫酰氯电池的“电压滞后”问题作了深入研究，通过大量试验比较了几种解决方案的优劣。得出了周期性小电流冲击方法能改善“电压滞后”问题的结论，并给出了两组可行的参数：每10天以约100mA的电流冲击10s或每3s 以6mA的电流冲击5ms两种方式。 降低能量消耗、延长仪表电池存活时间涉及到ZigBee的各层协议，本文分析研究了物理层、媒体访问控制层、网络层的有效的节能问题。论文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。 最后，总结了全文，并提出了未来的工作方向。