基于无线传感网络的微功率抄表设备论文和设计-陈素霞

全文摘要

本实用新型公开了一种基于无线传感网络的微功率抄表设备，微功率无线收发模块通过RS485线与智能电表连接，并对智能电表中的用电信息进行采集并进行打包编码处理，然后通过近程通讯网络传输到抄表集中器，抄表集中器对接收到的至少两个微功率无线收发模块不同时段的多个打包数据再次进行打包编码处理后，并在规定的时间内通过远程通讯网络上传到数据中心进行处理；本实用新型通过在智能电表上设置无线传感网络模块，并根据时钟同步机制在规定的时间段对抄表集中器进行自组网连接，同时通过基于多信道‑MAC协议实现检测数据的有序发送，通过改变无线传感网络模块中射频通信模块的工作状态从而来提高整个系统的能量效率。

主设计要求

1.一种基于无线传感网络的微功率抄表设备，包括控制管理层、信息发送层和数据采集层，其特征是：所述控制管理层为通过远程通信网络对所述信息发送层进行抄读和管理的数据中心；所述信息发送层为通过微功率无线传感器网络对所述数据采集层发送的信息进行抄读并打包发送的抄表集中集中器；所述数据采集层为负责电能表信息的采集并将采集到的数据通过近程通讯汇聚到信息发送端的智能电表；所述抄表集中器通过近程通讯与至少两个信息发送端组成虚拟簇，且至少两个虚拟簇通过远程通讯与数据中心呈星型拓扑结构，且所述抄表集中器之间通过近程通讯呈环形拓扑结构；所述数据中心包括主站网络及与主站网络连接并进行双向通讯的工作站、存储设备、数据库服务器、Web服务器、数据通信设备和客户端；所述抄表集中器包括集中器微控制器及与集中器微控制器连接的时钟模块、存储模块、液晶交互模块、本地数据采集接口、本地系统管理接口和通信接口；所述本地数据采集接口包括载波接口和RS485接口；所述本地系统管理接口包括红外接接口和USB接口；远程通信接口包括进行远程通讯的GPRS模块和通过RS485进行近程通讯的无线汇聚接点；所述智能电表通过RS485接口与信息发送端连接，所述信息发送端包括微控制器及与微控制器连接的电源模块、LED模块和射频通讯模块连接。

设计方案

1.一种基于无线传感网络的微功率抄表设备，包括控制管理层、信息发送层和数据采集层，其特征是：所述控制管理层为通过远程通信网络对所述信息发送层进行抄读和管理的数据中心；

所述信息发送层为通过微功率无线传感器网络对所述数据采集层发送的信息进行抄读并打包发送的抄表集中集中器；

所述数据采集层为负责电能表信息的采集并将采集到的数据通过近程通讯汇聚到信息发送端的智能电表；

所述抄表集中器通过近程通讯与至少两个信息发送端组成虚拟簇，且至少两个虚拟簇通过远程通讯与数据中心呈星型拓扑结构，且所述抄表集中器之间通过近程通讯呈环形拓扑结构；

所述数据中心包括主站网络及与主站网络连接并进行双向通讯的工作站、存储设备、数据库服务器、Web服务器、数据通信设备和客户端；

所述抄表集中器包括集中器微控制器及与集中器微控制器连接的时钟模块、存储模块、液晶交互模块、本地数据采集接口、本地系统管理接口和通信接口；

所述本地数据采集接口包括载波接口和RS485接口；

所述本地系统管理接口包括红外接接口和USB接口；

远程通信接口包括进行远程通讯的GPRS模块和通过RS485进行近程通讯的无线汇聚接点；

所述智能电表通过RS485接口与信息发送端连接，所述信息发送端包括微控制器及与微控制器连接的电源模块、LED模块和射频通讯模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的微功率抄表设备，其特征是：所述抄表集中器和信息发送端分别设置在壳体中，所述壳体上设置有矩形套环和限位片，所述壳体通过固定板固定在需要安装的部位，所述固定板上设置有与所述矩形套环和限位片进行配合使用的固定矩形套环和固定限位片，所述限位片上设置有通孔，所述固定板四周设置有圆孔。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的微功率抄表设备，其特征是：所述射频通讯模块选取Sillicon Lab公司的SI4463作为系统无线通信的射频收发芯片；微控制器选取意法半导体公司的低功耗8位微处理器STM8S207RBT6；电源模块选取ASM1117-3.3芯片作为电源管理芯片。

4.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的微功率抄表设备，其特征是：所述抄表集中器上设置有433MHZ全铜棒大吸盘天线，智能电表上设置有433MHZ的SMA弯头天线。

5.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的微功率抄表设备，其特征是：所述虚拟簇之间采用无线通讯，星型拓扑结构之间采用电缆通讯，所述环形拓扑结构采用无线网络通讯。

设计说明书

技术领域：

本实用新型涉及无线抄表领域，特别是涉及一种基于无线传感网络的微功率抄表设备。

背景技术：

电力通信网是电网的重要组成部分，是实现电网调度自动化和管理现代化的基础，其中无线抄表技术在其中起到重要作用，无线抄表按照通信方式是否需要专用频段使用权为依据可分为付费型无线抄表系统和免费型无线抄表系统，付费型无线抄表系统是采用中国移动、联通、电信等供应商提供的无线数据传输业务，利用现有网络设施所实现的无线抄表解决方案。该系统性能可靠，自动化程序高，但若抄表节点全部采用该类通信技术，随着抄表节点的增加，基站的容量超限，若再因此增加基站等硬件设施，成本高。并且，节点的功耗大，实时性差，尤其在节假日系统负荷会达到高峰，造成网络与系统阻塞严重，不能及时收发抄表信息。

免费型无线抄表系统利用短距离无线通信技术，满足抄表系统的低速率数据通信、实施方便、低成本、低功耗等优势所实现的无线抄表解决方案。该系统由于通信距离短，只有大量增加中心通信节点实现多跳路由，才能实现用户终端与监控中心的通信联络，无形中增大了系统网络的组建成本。

同时，无线抄表系统中传感器节点本身是不能够实现自动补充能量，节约能源也仍然是无线传感网络中MAC协议设计所首先要考虑的问题。而直到现在，传感器节点能量供应问题仍然难以得到妥善解决，一直受到广泛的研究与讨论。无线传感节点能量消耗主要来自三个主要模块处理器模块、传感器模块和无线通信模块。随着模块集成化的提高，处理器模块和传感器模块的功耗已大大降低。因此，实际上传感器节点的大部分的能量是节点的无线通信模块消耗的。降低无线通信模块的能耗能够大大增加整个无线传感网络的生存时间。MAC层作为网络层和物理层的接口控制节点对信道的使用和数据的收发，因此协议的优劣对于节点能量有效性的影响是非常明显的。能量的有效性，相对于MAC层来说，就是需要以最小的能量消耗完成数据的收发过程。除了收发有用传输造成的通信能量消耗之外，还存在着许多的额外消耗能量因素，这些因素都会造成能量的浪费。

主要的传输能量消耗的因素有：（1）数据冲突：无线网络不同于有线网络，在有线网络中可以监测冲突，而在无线网络中，基于竞争的协议中不可能完全监测冲突，只能尽量避免冲突的发生。尤其是在节点密度很大的传感器网络中，冲突的发生更是不可避免，冲突发生后数据就必须重传，重传数据带来了很大的能量损耗。（2）空闲侦听：由于传感器节点无法预知将来何时会收到来自其他节点的分组数据，为了保障信息的及时传输，节点要一直保持对信道的监听，对于无线传感网络尤其是事件触发类的应用，传感器网络大多数时间是没有数据传输的，在这种情况下，传感器节点很长时间都处于空闲监听的状态，空闲侦听的能耗很大，且这部分能耗是完全没有必要的。为了减少空闲侦听的能量消耗，在没有数据发送的情况下应关闭节点的通信模块，使节点处于睡眠状态。这种机制是基于能够预测未来分组数据到达时间的，但是在基于竞争的协议中，根本无法预知分组数据的到达时间，因此空闲侦听很难避免，这也加大了节点的能量消耗。（3）串听：在无线信道中传播的无线信号具有广播特性，节点发送给目的节点的数据通常会被邻居节点收到，因为节点只有在收到完整的帧数据后才能根据地址判断自己是否为数据的接收方，对于非接收方，接收了多余的数据造成了能量的浪费。在节点密度很高的无线传感网络中，如果不控制串听，节点能量将会很快被耗尽。（4）控制信息开销：为了保障协议的正常运行，需要在MAC帧结构的头部加入一些控制信息，这些控制信息并不携带任何数据信息，只是协议本身的需要，这些控制信息的传输也增加了节点额外的能量消耗。对于数据分组较小的无线传感网络来说，控制开销造成的能量损耗占很大的比重，因此减少不必要的协议控制信息将有助于提高网络的能量有效性。

实用新型内容：

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种在准确控制网络中节点的协同工作和唤醒周期的基础上，通过改变射频通信模块的工作状态从而来提高虚拟簇的能量效率，并结合抄表集中器和信息发送端的快速化安装实现信息发送的基于无线传感网络的微功率抄表设备。

本实用新型的技术方案是：一种基于无线传感网络的微功率抄表设备，包括控制管理层、信息发送层和数据采集层，其特征是：所述控制管理层为通过远程通信网络对所述信息发送层进行抄读和管理的数据中心；

所述信息发送层为通过微功率无线传感器网络对所述数据采集层发送的信息进行抄读并打包发送的抄表集中器；

所述数据采集层为负责电能表信息的采集并将采集到的数据通过近程通讯汇聚到信息发送端的智能电表；

所述数据中心包括主站网络及与主站网络连接并进行双向通讯的工作站、存储设备、数据库服务器、Web服务器、数据通信设备和客户端；

所述本地数据采集接口包括载波接口和RS485接口；

所述本地系统管理接口包括红外接口和USB接口；

远程通信接口包括进行远程通讯的GPRS模块和通过RS485进行近程通讯的无线汇聚接点。

述智能电表通过RS485接口与信息发送端连接，所述信息发送端包括微控制器及与微控制器连接的电源模块、LED模块和射频通讯模块连接。

进一步的，所述抄表集中器和信息发送端分别设置在壳体中，所述壳体上设置有矩形套环和限位片，所述壳体通过固定板固定在需要安装的部位，所述固定板上设置有与所述矩形套环和限位片进行配合使用的固定矩形套环和固定限位片，所述限位片上设置有通孔，所述固定板四周设置有圆孔。

进一步的，所述射频通讯模块选取Sillicon Lab公司的SI4463作为系统无线通信的射频收发芯片；微控制器选取意法半导体公司的低功耗8位微处理器STM8S207RBT6；电源模块选取ASM1117-3.3芯片作为电源管理芯片。

进一步的，所述抄表集中器上设置有433MHZ全铜棒大吸盘天线，智能电表上设置有433MHZ的SMA弯头天线。

进一步的，所述虚拟簇之间采用无线通讯，星型拓扑结构之间采用电缆通讯，所述环形拓扑结构采用无线网络通讯。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型在准确控制虚拟簇中节点的协同工作和唤醒周期的基础上，通过改变射频通信模块的工作状态从而来提高虚拟簇的能量效率，并结合抄表集中器和信息发送端的快速安装实现信息发送，实现了采集数据的多路传送，防止因通讯故障造成的数据传输失败。

2、本实用新型通过在固定板上的圆孔把固定板设置在需要安装的位置，然后把壳体上的矩形套环和限位片套装在固定矩形套环和固定限位片上，能够形成限位固定功能，同时通过锁具设置在限位片上的通孔上，进一步进行限位，防止无关人员进行移动。

2、本实用新型中由于现有的表端数据获取方式都是基于RS485总线，因此无线抄表系统也是在RS485总线的基础上扩展的通信方式，因此这决定了无线传感网络的总体的拓扑形式为主从结构，所有的抄表命令都是由汇聚节点发出，并通过无线传感网络传送到表端的感知节点，感知节点不会主动地向网络中发送数据。

3、本实用新型为了增加感知节点工作的生命周期，同时为了尽可能的减少能量的消耗，而汇聚节点不需要考虑能量的消耗问题，因此可通过汇聚节点的同步机制来管理网络中各感知节点的休眠和唤醒时序，在保证感知节点功能的前提下，尽可能地增加节点的睡眠时间，从而降低系统能耗。

4、本实用新型在居民区密集的小区可能存在不同的无线抄表系统，不同抄表中心下所有的节点组成簇，不同簇之间应尽量避免相互干扰，其可以通过设置不同频率的通讯方式、不同的通讯时段等进行实现。

5、本实用新型在基础设施铺设完毕之后，无线传感网络的拓扑结构也基本确定，系统很少需要增加大量和删除节点，因此对于扩展性的要求较低。

附图说明：

图1为本申请的无线抄表系统布局。

图2为无线抄表系统结构图。

图3为数据中心结构框图。

图4为抄表集中器功能框图。

图5为无线传感网络感知节点结构组成。

图6为主控模块硬件电路。

图7为电源模块电路。

图8为通信模块电路。

图9为Si4463外围电路。

图10为壳体的主视图。

图11为壳体的后视图。

图12为壳体的右视图。

图13为壳体的俯视图。

图14为固定板的主视图。

图15为固定板的左视图。

图16为壳体与固定板安装的主视图。

图17为壳体与固定板安装的左视图。

图18为壳体与固定板安装时的操作图。

具体实施方式：

实施例：参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17和图18；图中，1-壳体、2-矩形套环、3-限位片、4-固定板、5-固定矩形套环、6-固定限位片、7-通孔、8-圆孔、9-天线。

本申请公开了基于无线传感网络的微功率抄表设备，包括控制管理层、信息发送层和数据采集层，控制管理层为通过远程通信网络对所述信息发送层进行抄读和管理的数据中心；

信息发送层为通过微功率无线传感器网络对所述数据采集层发送的信息进行抄读并打包发送的抄表集中器；

数据采集层为负责电能表信息的采集并将采集到的数据通过近程通讯汇聚到信息发送端的智能电表；

抄表集中器通过近程通讯与至少两个信息发送端组成虚拟簇，且至少两个虚拟簇通过远程通讯与数据中心呈星型拓扑结构，且所述抄表集中器之间通过近程通讯呈环形拓扑结构；

数据中心包括主站网络及与主站网络连接并进行双向通讯的工作站、存储设备、数据库服务器、Web服务器、数据通信设备和客户端；

抄表集中器包括集中器微控制器及与集中器微控制器连接的时钟模块、存储模块、液晶交互模块、本地数据采集接口、本地系统管理接口和通信接口；本地数据采集接口包括载波接口和RS485接口；

本地系统管理接口包括红外接口和USB接口；

远程通信接口包括进行远程通讯的GPRS模块和通过RS485进行近程通讯的无线汇聚接点。

智能电表通过RS485接口与信息发送端连接，信息发送端包括微控制器及与微控制器连接的电源模块、LED模块和射频通讯模块连接。

进一步的，抄表集中器和信息发送端分别设置在壳体1中，壳体1上设置有矩形套环2和限位片3，壳体1通过固定板4固定在需要安装的部位，固定板4上设置有与矩形套环2和限位片3进行配合使用的固定矩形套环5和固定限位片6，限位片3上设置有通孔7，固定板4四周设置有圆孔8。

进一步的，射频通讯模块选取Sillicon Lab公司的SI4463作为系统无线通信的射频收发芯片；微控制器选取意法半导体公司的低功耗8位微处理器STM8S207RBT6；电源模块选取ASM1117-3.3芯片作为电源管理芯片。

进一步的，抄表集中器上设置有433MHZ全铜棒大吸盘天线，智能电表上设置有433MHZ的SMA弯头天线。

进一步的，虚拟簇之间采用无线通讯，星型拓扑结构之间采用电缆通讯，环形拓扑结构采用无线网络通讯。

其数据采集传输过程如下所示：

步骤一、抄表集中器根据距离的关系与至少两个微功率无线收发模块（信息发送端）建立虚拟簇，且抄表集中器上的汇聚节点与微功率无线收发模块上的感应节点根据时钟同步机制在规定的时间段开启收发模式，打开串口中断，广播同步控制帧建立星状网络，实现微功率无线收发模块与抄表集中器的通信；步骤二、抄表集中器向同虚拟组中的微功率无线收发模块发送抄表信息，微功率无线收发模块接收到抄表集中器发送的抄表信息，并对智能电表的信息进行采集并进行一次打包编码处理；

步骤三、微功率无线收发模块根据多信道-混合MAC协议实，实现微功率无线收发模块向抄表集中器发送一次打包编码数据；

步骤四、抄表集中器对接收到的一次编码数据进行二次打包编码处理，并通过电缆向数据中心发送确认通路信息，在一定时间内接收到返回信息，则通过与数据中心形成星型网络向数据中心发送信息；

步骤五、若抄表集中器在一定时间内没有接收到返回数据信息，则通过环形网络拓扑启用相邻的抄表集中器作为中继点，并利用中继点与数据中心的星型网络结构实现数据的传送。

步骤六、抄表集中器把二次打包编码处理的数据通过GPRS和\/或电缆传输到数据中心，数据中心对接收到的数据进行解压，根据其编码得出对应智能电表的信息。

下面结合附图对本申请进行详细说明。

如图1所示，在居民区中的用户电表安装集中在一层或者分别安装在各个楼层，居民用户的用电量通过智能电表直接采集和管理，智能电表的数据通过本地无线传感网络将数据集中到抄表集中器。集中器和智能电表都安装在居民楼中，抄表集中器主要完成两方面工作：一方面从智能电表端通过本地的无线传感网络采集居民用电量，另一方面，负责将采集到的智能电表数据通过运营商的GPRS远程通信网络发送到国家电网数据中心，对集中器采集到的数据进行存储、计费和管理等。

在无线传感网络工作在集抄模式下，集抄中心需要周期性的获取居民用户的用电量信息，因此汇聚节点需要周期性的向网络中其他的感知节点发送抄表命令并采集表端数据，然后将采集的表端数据周期性的发送给汇聚节点，这是一种周期性监测类应用的无线传感网络，通常情况下各个感知节点能够根据设置的周期来确定汇聚节点抄表命令到达的大致时间，因此各感知节点一般情况下可处于休眠状态且按照固定的时隙进行侦听并接受和发送数据。

在无线传感网络工作在点抄模式下，汇聚节点希望尽可能快的获取指定的表端数据，只要当汇聚节点向网络请求指定表端数据时，无线传感网络应尽可能快的响应该数据，采用优先时槽的方法，对该被点抄的节点分配优先的时槽，而要求其余节点可处于休眠状态。

图2所示，控制管理层的硬件实体为数据中心，通过运营商提供的GPRS远程通信网络对电表集中器进行抄读和管理，主要功能包括：1）、定义抄表周期，自动抄读集中器中各用户电能表的累计用电量，并根据接收地址进行实时选抄；2）、对收集到的用户用电量数据进行统计和分析；3）、系统安全监测，管理系统档案，对监测到的异常情况进行报警；4）、根据用电量的统计信息和实际需求，进行负荷预测、成本分析和用电计费管理等工作。

信息发送层作为中间层，其硬件实体为抄表集中器，主要功能包括：1）、实现自动抄读电能表数据，并存储各用户用电量的检、总、峰、平、谷这些电表数据；2）、实现点抄和集抄功能；3）、管理无线传感网络，负责时钟同步，抄表指令发送和数据接收；4）、实现远程断电和送电等控制功能。

数据采集层作为无线抄表系统的最底层，主要负责电能表信息的采集，将采集到的数据通过无线传感网络汇聚到集中器端。

图3所示，数据中心的一方面能够与集中器双向通信，不但能够实时接收从集中器上传的数据和报警信息，并存储在数据库供查询，而且同时还可以向集中器发送相应指令控制数据的采集与发送。另一方面为管理人员提供一个管理平台，可以对电能表数据进行分析

图4所示，微控制器负责系统控制和数据处理，集中器功能负责，需要强大的处理能力，一般选用高性能的ARM处理器。通信模块主要三种：本地数据采集接口，本地系统管理接口和远程通信接口。其中，本地数据采集接口和智能电表通信包括载波接口和RS485接口，本文研究的内容是通过RS485转接微功率无线通信模块进行数据采集。本地管理接口包括红外接口和USB接口，可对集中器进行本地化的管理。远程通信接口一般选用GPRS模块和数据中心进行通信，接收数据中心控制管理命令并进行参数设置。存储模块主要负责存储系统参数和本地短时间的用电量数据，一般需要掉电保护功能，选用EEPROM或者Flash存储器。液晶模块可实现系统管理界面、抄表数据显示等。时钟模块为系统提供实时时钟。

图5所示，智能电表端是无线抄表系统的最底层的数据采集层，负责无线抄表系统中电能表数据的采集，并通过无线传感网络将电能表传送到集中器。图18所示，壳体1放在固定板4的上方，且壳体1上的矩形套环2和限位片3与固定板4上的固定矩形套环5和固定限位片6上下对应，按照图中箭头的指示，壳体1向下运动，实现矩形套环2和限位片3与固定矩形套环5和固定限位片6的限位配合使用（如图16、图17），同时，用锁具贯穿壳体1上的圆孔8进一步进行限位。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

设计图

基于无线传感网络的微功率抄表设备论文和设计

基于无线传感网络的微功率抄表设备论文和设计-陈素霞

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