摘要：本文基于ZigBee技術的無線自動抄表系統項目，深入研究了ZigBee相關技術及在自動抄表系統中的應用。針對戶用計量儀表必須使用內置電池供電、使用時間長、電池不易更換，但對數據傳輸速率、實時性要求不高等特點，著重研究了解決戶用計量儀表電源及降低無線模塊功耗的問題。
　　關鍵詞：ZigBee，自動抄表，無線技術，亞-硫酰氯
　　1引言
　　隨著測量技術的飛速發展，人們生活、家居條件的智能化水平越來越高，將室內戶用計量儀表中數據自動抄收已逐漸成為人們追求的目標。水、電、氣、熱等公共事業管理部門也希望新技術的應用能解決長期困擾他們的抄表難、收費難等問題，從而實現節省人力、減少企業流動資金占用、方便用戶及提高管理水平的目的。ZigBee技術以其低功耗、通信可靠、網絡容量大等特點為無線自動抄表領域提供了較合適的解決方案。
　　2Zigbee技術簡介
　　隨著數字通信和計算機技術的發展,提出了許多短距離無線通信的要求,對無線技術的網絡化、標準化要求逐漸出現在人們面前,ZigBee技術便是其中之一。
　　ZigBee是依據IEEE802.15.4標準的一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術,主要應用在短距離范圍內并且數據傳輸速率不高的各種電子設備之間,在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。ZigBee采用了2003年發布的IEEE802.15.4協議標準作為其物理層和媒體接入(MAC)層的標準協議。2001年8月成立的ZigBee技術聯盟為不同廠家生產的設備提供了統一的解決方案,解決其相互間的兼容性問題。ZigBee技術的網絡層由ZigBee技術聯盟制定,應用層則由用戶根據自己的應用需要對其開發利用。
　　3Zigbee通信協議
　　完整的ZigBee協議由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協議由ZigBee聯盟制定，IEEE802.15.4工作組負責物理層和鏈路層標準。
　　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/休眠無線收發設備、對當前頻道進行能量檢測、鏈路質量指示、為載波檢測多址與碰撞避免(CSMA-CA)進行空閑頻道評估、頻道選擇、數據的發送及接收等。
　　3.2MAC層
　　IEEE802.15.4的MAC協議包括以下功能：設備間無線鏈路的建立、維護和結束；確認模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗；預留時隙管理；廣播信息管理。MAC子層提供兩個服務與高層聯系，即通過兩個服務訪問點(SAP)訪問高層。通過MAC通用部分子層SAP(MCPS-SAP)訪問MAC數據服務，用MAC層管理實體SAP(MLME-SAP)訪問MAC管理服務。這兩個服務為網絡層和物理層提供了一個接口。
　　3.3網絡層
　　網絡層包括邏輯鏈路控制子層。802.2標準定義了LLC，并且通用于諸如802.3,802.11及802.15.1等系列標準中。而MAC子層與硬件聯系較為緊密，并隨不同的物理層實現而變化。網絡層負責拓撲結構的建立和維護、命名和綁定服務，它們協同完成尋址、路由及安全這些必須任務。
　　3.4應用層
　　應用層由應用支持子層(APS)、Zigbee設備對象(ZDO)及廠商定義的應用對象。應用支持子層(APS)的作用是維護設備綁定表，它具有根據服務及需求匹配兩設備的能力，且通過邊界的設備轉發信息。應用支持子層(APS)的另一作用是設備發現，它能發現在工作范圍內操作的其它設備。ZDO的職責是定義網絡內其它設備的角色(如Zigbee協調器或末端設備)、發起或回應綁定請求、在網絡設備間建立安全機制(如選擇公共密鑰、對稱密鑰等)等。廠商定義的應用對象根據ZigBee定義的應用描述執行具體的應用。
　　4無線抄表系統的硬件實現
　　一個完整的無線抄表系統包括：一戶一只的戶用計量儀表、根據需要的若干樓棟集中器、一臺小區數據集中主機以及一臺管理單位的管理服務器，具體框圖如圖1所示
　　
　　圖1自動抄表系統原理框圖
　　4.1戶用計量儀表基本框圖
　　戶用計量儀表主要完成對用戶水、氣、熱等使用情況的采集、累積及根據主機命令通過無線通信模塊傳出。同時，還可根據具體管理部門的要求，選擇加入控制功能、顯示及報警功能。其基本原理框圖如圖2所示。
　　
　　圖2戶用計量儀表基本框圖
　　
　　4.2鋰電池的選擇
　　組成自動抄表系統的戶用計量儀表需實時監控用戶水、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，這是與其它家用電器、儀表在使用上較獨特的地方。故在自動抄表系統中解決好戶用計量儀表電源問題是十分關鍵的。
　　根據自動抄表系統中戶用計量系統的要求：長期使用(數年)、不易更換，我們選擇亞-硫酰氯電池來作為該系統的電源。選擇適當容量的電池在戶用計量儀表電源方案中亦相當重要，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。一般在選擇鋰電池時應考慮儀表靜態消耗、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，放電曲線極為平坦；電池可以在-40℃~+85℃范圍內正常工作；年自放電率<=1%，貯存壽命10年以上。
　　5Zigbee各層協議的節能機制
　　在無線自動抄表系統中，網絡的節能是一個非常重要的問題。由于戶用計量儀表是安裝在室內，使用時間長達數年，電池不便更換。過去30年間，電池制造技術一直沒有取得突破性進展。由于受制造技術的限制，單位重量的電池容量很難有大幅度提高。在當前技術條件下，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行專門設計，也可以在軟件上進行改進。在硬件方面，可以利用低功能CMOS器件、低功能顯示技術、低功耗CPU等方面采取專門措施來降低終端能耗。這些技術目前較成熟，應用也較廣。筆者對現有各種節能技術在本系統中應用的可能性深入研究后發現：物理層可以根據網絡節點位置、判斷RSSI值調節發射功率大小。在MAC層采用支持節點在不同的狀態之間切換來提高能量利用率。無線自動抄表系統中網絡層的節能機制必須既考慮路徑中總的能量消耗，又必須考慮到單一節點的剩余能量，防止某些節點過度使用而成為系統的瓶頸點。因此，本系統研究的重點是在如何利用或設計無線通信協議棧各層，從而降低儀表終端通信子系統的耗電，以延長自動抄表系統中戶用計量儀表的工作時間。
　　6結束語
　　雖然目前已有許多開發成功的無線抄表系統，但是Zigbee的優良性能、極低的功耗、高集成度和低價位，具有非常強大的市場競爭能力。但作為一個全新的標準，將其應用于自動抄表系統將面臨諸多問題。提出、研究并解決這些問題正是本項目的動機。
　　
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