基于ZigBee技术的远程抄表系统的设计与实现

论文摘要

远程自动抄表系统是目前电力运营商通过远程监控、电量采集和分析、传输处理的远程实时监控系统。论文是在现有的远程自动抄表系统和目前国内外应用现状的基础上,结合有线和无线信号传输方式、实施的难易程度及运行后的维护难易等特点的情况下,提出了一种比较方便的、有效的抄表系统,即基于ZigBee的远程抄表系统。本设计提出的基于ZigBee的远程抄表系统是一种基于射频收发芯片CC1100的无线收发系统,该系统通过分散在各小区的各单元等的无线设备组建ZigBee网络实现数据通信,将采集的电量传输给监控中心进行处理分析。整个系统包括监控中心、集中器、采集器和电能表四部分。集中器是整个网络的中心节点,在上层信道中,通过GPRS网络与主控中心进行通信,在下层信道中,通过CC1100无线收发芯片与采集器之间组建ZigBee网络来实现通信。监控中心和多个集中器之间组建的网络拓扑结构为星状网络,集中器和多个采集器组建的网络可以为星状、树状或网状等拓扑结构,集中器和采集器通过无线方式进行通信。基于ZigBee的远程抄表系统与传统的无线抄表系统相比,其网络拓扑结构和通信协议更复杂,但使用的ZigBee协议是基于低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议IEEE802.15.4协议,该协议工作在868M、915M、2.4GHz的ISM频段上,数据传输速率最高可达250kbps,而且ZigBee无线技术适合于低速率、复杂网络、低功耗和低成本的网络,能够满足无线抄表对数据传输的速率、节点个数、传输距离的要求,而且可以降低无线抄表的能耗、成本、以及提高无线抄表的可靠性和安全性的要求。最后,利用现有的实验条件搭建了一个远程自动抄表系统硬件平台,对该远程抄表系统进行了模块的软硬件测试,实验完成了点对点和星状拓扑结构的节点加入网络过程及数据通信的测试,测试结果验证了模型和协议的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 远程抄表技术概述
• 1.2 国内外研究现状及发展
• 1.3 现有抄表方式及其比较
• 1.3.1 人工抄表方式
• 1.3.2 IC卡预付费抄表方式
• 1.3.3 有线抄表方式
• 1.3.4 无线抄表方式
• 1.4 几种短距离无线通信技术的比较
• 1.4.1 HomeRF技术
• 1.4.2 蓝牙技术
• 1.4.3 ZigBee技术
• 1.5 本课题的研究背景及意义
• 1.6 论文内容安排
• 第2章 远程抄表系统的技术基础
• 2.1 ZigBee技术简介
• 2.1.1 ZigBee网络关联
• 2.1.2 ZigBee协议栈
• 2.1.3 ZigBee网络拓扑结构
• 2.2 ZigBee技术在远程抄表系统中的应用
• 2.3 嵌入式系统简介
• 2.4 电能表简介
• 2.4.1 电能表技术参数
• 2.4.2 电能表技术功能
• 2.4.3 电能表的基本结构和工作原理
• 2.5 本章小结
• 第3章 远程抄表系统总体方案设计
• 3.1 系统需求分析
• 3.1.1 市场需求
• 3.1.2 技术需求
• 3.2 系统总体结构设计
• 3.3 系统特点及工作过程描述
• 3.3.1 系统特点
• 3.3.2 系统工作过程
• 3.4 采集器的设计方案及元器件选型
• 3.4.1 采集器的设计方案
• 3.4.2 无线收发芯片选型
• 3.4.3 CC1100芯片特点
• 3.4.4 FT1100-232收发模块
• 3.5 集中器的设计方案及元器件选型
• 3.5.1 集中器的设计方案
• 3.5.2 芯片选型
• 3.5.3 GPRS模块选型
• 3.6 本章小结
• 第4章 远程抄表系统收发模块的硬件电路设计
• 4.1 采集器主要功能模块的硬件电路设计
• 4.1.1 采集器的工作过程
• 4.1.2 射频收发模块电路
• 4.1.3 时钟电路
• 4.1.4 复位电路
• 4.1.5 收发数据显示电路
• 4.1.6 串口电路
• 4.1.7 按键电路
• 4.1.8 电源电路
• 4.2 集中器主要功能模块的硬件设计
• 4.3 本章小结
• 第5章 远程抄表系统的通信软件设计
• 5.1 软件开发环境
• 5.2 远程抄表网络的拓扑结构
• 5.3 远程抄表网络通信协议实现
• 5.3.1 协议原语
• 5.3.2 数据结构的组织
• 5.4 远程抄表系统组网过程
• 5.5 电能表与采集器的接口通信
• 5.5.1 采集器与电能表通信的数据格式
• 5.5.2 采集器与电能表的通信过程
• 5.6 集中器与采集器的数据通信实现
• 5.7 本章小结
• 第6章 远程抄表系统的基本功能测试
• 6.1 系统测试平台搭建及模块软硬件调试
• 6.1.1 系统测试平台搭建
• 6.1.2 模块软硬件调试
• 6.2 单点对单点通信测试
• 6.3 星型网络通信测试
• 6.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间发表的学术论文）
• 附录B （攻读学位期间参与的科研项目）
• 附录C （无线抄表采集器和集中器实物图）