摘要：本文基于ZigBee技術(shù)的無線自動抄表系統(tǒng)項(xiàng)目，深入研究了ZigBee相關(guān)技術(shù)及在自動抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用。針對戶用計(jì)量儀表必須使用內(nèi)置電池供電、使用時(shí)間長、電池不易更換，但對數(shù)據(jù)傳輸速率、實(shí)時(shí)性要求不高等特點(diǎn)，著重研究了解決戶用計(jì)量儀表電源及降低無線模塊功耗的問題。
　　關(guān)鍵詞：ZigBee，自動抄表，無線技術(shù)，亞-硫酰氯
　　1引言
　　隨著測量技術(shù)的飛速發(fā)展，人們生活、家居條件的智能化水平越來越高，將室內(nèi)戶用計(jì)量儀表中數(shù)據(jù)自動抄收已逐漸成為人們追求的目標(biāo)。水、電、氣、熱等公共事業(yè)管理部門也希望新技術(shù)的應(yīng)用能解決長期困擾他們的抄表難、收費(fèi)難等問題，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省人力、減少企業(yè)流動資金占用、方便用戶及提高管理水平的目的。ZigBee技術(shù)以其低功耗、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)為無線自動抄表領(lǐng)域提供了較合適的解決方案。
　　2Zigbee技術(shù)簡介
　　隨著數(shù)字通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,提出了許多短距離無線通信的要求,對無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化要求逐漸出現(xiàn)在人們面前,ZigBee技術(shù)便是其中之一。
　　ZigBee是依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),主要應(yīng)用在短距離范圍內(nèi)并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間,在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。ZigBee采用了2003年發(fā)布的IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)作為其物理層和媒體接入(MAC)層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。2001年8月成立的ZigBee技術(shù)聯(lián)盟為不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備提供了統(tǒng)一的解決方案,解決其相互間的兼容性問題。ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定,應(yīng)用層則由用戶根據(jù)自己的應(yīng)用需要對其開發(fā)利用。
　　3Zigbee通信協(xié)議
　　完整的ZigBee協(xié)議由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4工作組負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。
　　3.1物理層
　　物理層提供了媒體訪問控制層與無線物理通道之間的接口，主要完成：激活/休眠無線收發(fā)設(shè)備、對當(dāng)前頻道進(jìn)行能量檢測、鏈路質(zhì)量指示、為載波檢測多址與碰撞避免(CSMA-CA)進(jìn)行空閑頻道評估、頻道選擇、數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收等。
　　3.2MAC層
　　IEEE802.15.4的MAC協(xié)議包括以下功能：設(shè)備間無線鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束；確認(rèn)模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗(yàn)；預(yù)留時(shí)隙管理；廣播信息管理。MAC子層提供兩個(gè)服務(wù)與高層聯(lián)系，即通過兩個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)(SAP)訪問高層。通過MAC通用部分子層SAP(MCPS-SAP)訪問MAC數(shù)據(jù)服務(wù)，用MAC層管理實(shí)體SAP(MLME-SAP)訪問MAC管理服務(wù)。這兩個(gè)服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)層和物理層提供了一個(gè)接口。
　　3.3網(wǎng)絡(luò)層
　　網(wǎng)絡(luò)層包括邏輯鏈路控制子層。802.2標(biāo)準(zhǔn)定義了LLC，并且通用于諸如802.3,802.11及802.15.1等系列標(biāo)準(zhǔn)中。而MAC子層與硬件聯(lián)系較為緊密，并隨不同的物理層實(shí)現(xiàn)而變化。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)、命名和綁定服務(wù)，它們協(xié)同完成尋址、路由及安全這些必須任務(wù)。
　　3.4應(yīng)用層
　　應(yīng)用層由應(yīng)用支持子層(APS)、Zigbee設(shè)備對象(ZDO)及廠商定義的應(yīng)用對象。應(yīng)用支持子層(APS)的作用是維護(hù)設(shè)備綁定表，它具有根據(jù)服務(wù)及需求匹配兩設(shè)備的能力，且通過邊界的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信息。應(yīng)用支持子層(APS)的另一作用是設(shè)備發(fā)現(xiàn)，它能發(fā)現(xiàn)在工作范圍內(nèi)操作的其它設(shè)備。ZDO的職責(zé)是定義網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它設(shè)備的角色(如Zigbee協(xié)調(diào)器或末端設(shè)備)、發(fā)起或回應(yīng)綁定請求、在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間建立安全機(jī)制(如選擇公共密鑰、對稱密鑰等)等。廠商定義的應(yīng)用對象根據(jù)ZigBee定義的應(yīng)用描述執(zhí)行具體的應(yīng)用。
　　4無線抄表系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
　　一個(gè)完整的無線抄表系統(tǒng)包括：一戶一只的戶用計(jì)量儀表、根據(jù)需要的若干樓棟集中器、一臺小區(qū)數(shù)據(jù)集中主機(jī)以及一臺管理單位的管理服務(wù)器，具體框圖如圖1所示
　　
　　圖1自動抄表系統(tǒng)原理框圖
　　4.1戶用計(jì)量儀表基本框圖
　　戶用計(jì)量儀表主要完成對用戶水、氣、熱等使用情況的采集、累積及根據(jù)主機(jī)命令通過無線通信模塊傳出。同時(shí)，還可根據(jù)具體管理部門的要求，選擇加入控制功能、顯示及報(bào)警功能。其基本原理框圖如圖2所示。
　　
　　圖2戶用計(jì)量儀表基本框圖
　　
　　4.2鋰電池的選擇
　　組成自動抄表系統(tǒng)的戶用計(jì)量儀表需實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶水、氣、熱等的使用情況，不允許斷電或在斷電前需可靠的切斷能源供應(yīng)，這是與其它家用電器、儀表在使用上較獨(dú)特的地方。故在自動抄表系統(tǒng)中解決好戶用計(jì)量儀表電源問題是十分關(guān)鍵的。
　　根據(jù)自動抄表系統(tǒng)中戶用計(jì)量系統(tǒng)的要求：長期使用(數(shù)年)、不易更換，我們選擇亞-硫酰氯電池來作為該系統(tǒng)的電源。選擇適當(dāng)容量的電池在戶用計(jì)量儀表電源方案中亦相當(dāng)重要，容量過小不能滿足儀表壽命的需求。容量過大，又是一種浪費(fèi)。一般在選擇鋰電池時(shí)應(yīng)考慮儀表靜態(tài)消耗、儀表工作消耗、電池本身自放電及留出富裕容量。亞-硫酰氯電池的特點(diǎn)是額定電壓為3.6V，是目前鋰電池系列中電壓最高的；常溫中等電流密度放電時(shí)，放電曲線極為平坦；電池可以在-40℃~+85℃范圍內(nèi)正常工作；年自放電率<=1%，貯存壽命10年以上。
　　5Zigbee各層協(xié)議的節(jié)能機(jī)制
　　在無線自動抄表系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能是一個(gè)非常重要的問題。由于戶用計(jì)量儀表是安裝在室內(nèi)，使用時(shí)間長達(dá)數(shù)年，電池不便更換。過去30年間，電池制造技術(shù)一直沒有取得突破性進(jìn)展。由于受制造技術(shù)的限制，單位重量的電池容量很難有大幅度提高。在當(dāng)前技術(shù)條件下，電池的容量每10年只能提高約20%左右。但另一方面我們可以在許多方面采取措施來降低儀表終端的能耗，既可以在硬件方面進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，也可以在軟件上進(jìn)行改進(jìn)。在硬件方面，可以利用低功能CMOS器件、低功能顯示技術(shù)、低功耗CPU等方面采取專門措施來降低終端能耗。這些技術(shù)目前較成熟，應(yīng)用也較廣。筆者對現(xiàn)有各種節(jié)能技術(shù)在本系統(tǒng)中應(yīng)用的可能性深入研究后發(fā)現(xiàn)：物理層可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置、判斷RSSI值調(diào)節(jié)發(fā)射功率大小。在MAC層采用支持節(jié)點(diǎn)在不同的狀態(tài)之間切換來提高能量利用率。無線自動抄表系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)層的節(jié)能機(jī)制必須既考慮路徑中總的能量消耗，又必須考慮到單一節(jié)點(diǎn)的剩余能量，防止某些節(jié)點(diǎn)過度使用而成為系統(tǒng)的瓶頸點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)研究的重點(diǎn)是在如何利用或設(shè)計(jì)無線通信協(xié)議棧各層，從而降低儀表終端通信子系統(tǒng)的耗電，以延長自動抄表系統(tǒng)中戶用計(jì)量儀表的工作時(shí)間。
　　6結(jié)束語
　　雖然目前已有許多開發(fā)成功的無線抄表系統(tǒng)，但是Zigbee的優(yōu)良性能、極低的功耗、高集成度和低價(jià)位，具有非常強(qiáng)大的市場競爭能力。但作為一個(gè)全新的標(biāo)準(zhǔn)，將其應(yīng)用于自動抄表系統(tǒng)將面臨諸多問題。提出、研究并解決這些問題正是本項(xiàng)目的動機(jī)。
　　
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