金　萍，田正其，彭宇菲

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103；2.南京師范大學，江蘇南京210023）

故障分析

一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的智能抄表系統(tǒng)

金萍1，田正其1，彭宇菲2

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103；2.南京師范大學，江蘇南京210023）

目前解決電力公司能源供應和需求平衡的方案，以此控制電能的消耗都是基于經(jīng)驗。因為缺乏詳細的用戶消費記錄，從而無法根據(jù)歷史需求來預測控制電網(wǎng)將來的消費。基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能抄表系統(tǒng)，整個網(wǎng)絡是無線通信完成的，近距離短通過ZigBee網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)安全，用戶節(jié)點擴展性強。實例模型表明，合理的容量規(guī)劃，能實現(xiàn)遠程對用戶電表的自動、實時監(jiān)測。這樣準確記錄和備份實時相關(guān)數(shù)據(jù)，減少紙質(zhì)單據(jù)材料消耗，統(tǒng)計分析住戶耗電數(shù)據(jù)，提高管理效率，為電網(wǎng)電能傳輸和能源節(jié)約提供依據(jù)。

無線傳感網(wǎng)絡；ZigBee；智能抄表；擴展性；遠程監(jiān)測

最早傳統(tǒng)住宅儀表讀數(shù)的方法，需要公司員工每一、兩個月在用戶面前直觀地讀取相應數(shù)據(jù)，來為用戶或客戶進行服務。一個足夠大的系統(tǒng)閱讀數(shù)量可以達到成千上萬甚至上百萬。近來，雖然許多通過使用無線設(shè)備抄表，解決了人工讀數(shù)的弊端，但這些都是一天或者更長時間傳送一次數(shù)據(jù)［1］，并不能根據(jù)一天中凹凸不平的用戶消費曲線，來調(diào)整供電方案［2，3］。這樣供應和需求之間差異，增加了運營成本和電網(wǎng)管理的復雜性。

近年來隨著技術(shù)更新，新的通信系統(tǒng)進入市場。無線網(wǎng)絡也不例外，并且這些技術(shù)將更多地出現(xiàn)在人們現(xiàn)實生活中。本文提供了一個執(zhí)行遠程電表讀數(shù)平臺，大大提高自動化水平，減少物業(yè)管理人員，降低運營支出。抄表平臺運用無線網(wǎng)絡進行訪問時，不需要在用戶周圍部署昂貴的有線基礎(chǔ)設(shè)施，大大降低資源消耗，無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）作為無線網(wǎng)絡的一種，對于長距離路徑通信時具有很好的優(yōu)勢，相對于其他無線網(wǎng)絡（GPRS，WiMAX，ADSL）將會更合適［4，5］。

1　平臺的構(gòu)建

基于人工完成讀數(shù)，公司可以負責測量用戶在一段時間內(nèi)的能源消耗量，但是這種方法需要很大的人力，要求員工多次執(zhí)行任務。自動抄表（AMR）技術(shù)就是使電氣公司執(zhí)行遠程抄表，不需要派遣員工到用戶家中。

通過引入的WSN，開發(fā)一個分布式和自動化流程執(zhí)行讀數(shù)?？梢詷O大地改進電氣公司和最終用戶相關(guān)成本。具有一定優(yōu)勢：（1）在低需求期鼓勵用戶使用電能；（2）不再需要發(fā)送數(shù)量巨大的員工在客戶處進行讀數(shù)，減少運營支出；（3）公司能夠給客戶基于平臺在線提供新的服務。

1.1特點和要求

基于無線傳感器網(wǎng)絡應用技術(shù)以及組網(wǎng)一系列相關(guān)具體特點與優(yōu)勢，實現(xiàn)不同情況下相應功能，從而滿足用戶和電力公司的需要。

1.1.1應用要求

（1）節(jié)點識別。必須正確識別網(wǎng)絡中端點，并關(guān)聯(lián)到一個特定的用戶。

（2）節(jié)點移動。這是一般無線傳感器網(wǎng)絡的一個非常重要的特征。此情況下一般是不相關(guān)的，實際案例中大多數(shù)是端點不動情形。

（3）能源消耗和電池壽命。這是對無線傳感器網(wǎng)絡的能源供給要求，特別是單元電池的供電壽命。

（4）可擴展性。在未來，隨著用戶數(shù)目的增加，很可能有新的端點將加入網(wǎng)絡。因此應考慮在不需要執(zhí)行特定技術(shù)改變設(shè)計的情況下，自動地擴大網(wǎng)絡、優(yōu)化網(wǎng)絡。

（5）可靠性。這是AMR平臺的主要特征。當網(wǎng)絡受到攻擊或意外掉網(wǎng)，必須保證數(shù)據(jù)信息不會丟失或篡改。

1.1.2技術(shù)要求

（1）識別設(shè)備?；赯igBee技術(shù)的無線終端，有2種可能的設(shè)備地址：64位MAC預編碼地址和16位網(wǎng)絡地址。其中第一個是惟一的，通常當作一個設(shè)備加入ZigBee網(wǎng)絡。第二個是一個很短的地址，用來進行網(wǎng)絡路由。

（2）網(wǎng)絡規(guī)模。ZigBee網(wǎng)絡的大小，理論上是有確定的16位地址限制。然而，由于物理限制，該網(wǎng)絡（ZigBee）設(shè)備最大數(shù)量是100，是一個小得多的量。

（3）傳感器。傳感器通過串行接口與電表連接，無線設(shè)備內(nèi)置于電表表內(nèi)，從而減少裝置的所占空間。

（4）協(xié)調(diào)器限制。設(shè)計中一個集線器最多只能與四個協(xié)調(diào)器直接連接。

1.2構(gòu)架

眾多高樓和房屋的城市密集建筑區(qū)，相鄰的2個建筑都是不同的，每個房子都有一個電表讀取電度數(shù)。儀表的位置取決于房子裝飾類型，大部分安裝于房子的外面。通過無線接口連接到一個叫集線器的專用設(shè)備，然后集線器將用戶電表信息傳給電力公司服務器。如圖1所示，將整個路徑分為兩段，從端點到集線器作為短距離段，從集線器到管理服務器作為長距離段，整個網(wǎng)絡包括4個部分，每個部分彼此間相互聯(lián)系，分別扮演著不同的角色，組合完成自動抄表整個過程。

（1）端點。作為網(wǎng)絡基礎(chǔ)成員，實現(xiàn)了用戶定點的物理邏輯轉(zhuǎn)換，從而與用戶電表進行數(shù)據(jù)的現(xiàn)場交互。

（2）協(xié)調(diào)器。負責ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)，給結(jié)點成員按照一定規(guī)則分配網(wǎng)絡地址，負責創(chuàng)建并維護一個局域網(wǎng)并實現(xiàn)路由功能。

（3）集線器。負責收集和匯總幾個ZigBee網(wǎng)絡內(nèi)所有端點信息。為端點和服務器平臺的通訊，提供邏輯接口。

（4）管理服務器。作為服務器平臺，負責儲存結(jié)點電表數(shù)據(jù)，進行歷史數(shù)據(jù)查詢，報表和曲線分析，電力公司實現(xiàn)智能化管理的數(shù)據(jù)平臺。

圖1　智能抄表系統(tǒng)平臺

短距離段通常對應于一個或多個ZigBee網(wǎng)絡，通過串行或通過WiFi直接連接到一個集線器。集線器收集所有區(qū)域內(nèi)電表數(shù)據(jù)，再通過長距離段將數(shù)據(jù)反饋給服務器。ZigBee是一種低成本、低功耗的無線技術(shù)，在定位和流量使用上非常適合這個網(wǎng)絡要求。若集線器距離ZigBee網(wǎng)絡終端較遠時，可以用WiFi來實現(xiàn)集線器與ZigBee網(wǎng)絡終端間的數(shù)據(jù)傳遞。

長距離段是集線器與服務器之間數(shù)據(jù)橋梁，一般可由GPRS，UMTS，WiFi，WiMAX通信技術(shù)組成。它將所有電表信息匯總，傳給管理服務器。

當然目前還有一些其他的通信方式來實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)的傳遞［7］，比如在短距離段用PLC（線載通信）代替ZigBee，或使用GPRS直接連接到每個電表端點。直接使用GPRS連接每一電表端點，特別是規(guī)模宏大的電表用戶時成本比較高［8］。PLC具有一定帶寬的限制使用不夠靈活［9］。同時還需要有線來支持，材料使用和改造及其不方便。本智能抄表系統(tǒng)平臺使用靈活，只要接口統(tǒng)一，管理軟件適應，不僅能夠完成電表的遠程自動抄表，還可以用于其他公用事業(yè)，如暖、氣、水表的自動抄表等。

2　組網(wǎng)關(guān)鍵

要能夠成功地獲得所有的電表讀數(shù)，并能使系統(tǒng)的成本、可靠性、可擴展性和其他都具有相對的優(yōu)越性。關(guān)鍵主要集中在3個方面：

（1）傳感器的識別是否正確。讓管理服務器能正確識別到每一個網(wǎng)絡節(jié)點。

（2）網(wǎng)絡是否安全。建立一定的認證機制，確保數(shù)據(jù)保密、完整、可利用。

（3）容量規(guī)劃是否合理，根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)模設(shè)計一定數(shù)量的集線器、協(xié)調(diào)器、傳感器等。

2.1傳感器的識別和尋址及命名

大規(guī)模的抄表系統(tǒng)，面對的是幾十萬或者是百萬用戶電表，因此必須要建立一個對應關(guān)系。使得用戶電表與數(shù)據(jù)儲存地址一一對應。16位尋址的ZigBee技術(shù)空間上還是不夠的，為了解決上述問題。ZigBee協(xié)調(diào)器通過動態(tài)分配網(wǎng)絡地址給設(shè)備，使用長64位的MAC地址來標識每一個結(jié)點。當對每一個傳感器結(jié)點進行訪問時，ZigBee通過搜索所有路徑，分析它們的位置關(guān)系以及遠近，然后選擇其中的一條路徑與該傳感器結(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸。當一條路徑發(fā)生擁擠或者是斷開時，立刻分析下一條路徑，直到搜索到相應的傳感器結(jié)點。

這種搜索的方法存在一些潛在的問題，隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增大，數(shù)據(jù)訪問效率會降低。每次管理服務器要與客戶結(jié)點建立聯(lián)絡時，它首先必須查閱數(shù)據(jù)庫獲取相應設(shè)備的MAC地址。這樣當管理平臺為了與某個電表建立聯(lián)系，首先必須發(fā)送請求到每一個集線器，一旦一個集線器接收請求時，通過與相應協(xié)調(diào)器的接口建立連接獲得MAC地址。相反，使用MAC地址在ZigBee網(wǎng)絡中輪流搜索相應設(shè)備。這樣增加了搜索過程的復雜性。

為解決上述問題，提出基于IP的虛擬網(wǎng)絡地址，主要思想是建立一個完整的IP網(wǎng)絡，通過不同的網(wǎng)段來有針對性地訪問各個傳感器的結(jié)點，從而節(jié)省搜索時間。

2.2網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)的安全

該AMR平臺主要是基于無線網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡相比面臨諸多漏洞［10］。比如只要范圍內(nèi)和知道傳輸頻率的任何人都可以直接訪問網(wǎng)絡，從而形成攻擊，常見的攻擊類型有：（1）拒絕服務造成干擾，利用在無線網(wǎng)絡中特別是 ZigBee和 WiFi網(wǎng)絡，CSMA/CA協(xié)議（載波偵聽多路訪問/碰撞檢測）的脆弱性［11］；（2）攻擊數(shù)據(jù)保密性；（3）重復攻擊；（4）取代端點。

在自動抄表的背景下，取代的端點是最有可能發(fā)生的攻擊，因此必須建立一定的認證機制，來確保數(shù)據(jù)的保密性、完整性、可利用性。

2.2.1短距離段的認證

短距離段的通信一般是ZigBee或WiFi網(wǎng)絡。ZigBee技術(shù)在數(shù)據(jù)加密過程中，可以使用3種基本密鑰，分別是主密鑰、鏈接密鑰和網(wǎng)絡密鑰［12］。主密鑰是2個設(shè)備長期安全通信的基礎(chǔ)，也可以作為一般的鏈接密鑰使用。所以必須維護主密鑰的保密性和正確性。當在網(wǎng)絡傳輸過程中，采用主密鑰可以阻止竊聽［13］。在CCM*（counter with cipher block chain-ing-message authentication code）加密模式下執(zhí)AES-128加密算法，保證了通信的安全。在這種模式下，所有的信息都是加密的，2個點之間的握手，是建立在由一個主密鑰生成的點對點之間。提供了加密、數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，有較高的安全性，同時避免了內(nèi)部攻擊［14］。

當使用WiFi時，可以利用目前被認為是安全的WiFi安全標準802.11i（WPA/WPA2）與802.1x認證（EAP）［15］，為加強其安全性，還可以考慮多種機制。

（1）IPSec VPN：用以提供公用和專用網(wǎng)絡的端對端加密和驗證。

（2）MAC地址過濾：只有經(jīng)過授權(quán)的設(shè)備允許訪問網(wǎng)絡，有效控制用戶上網(wǎng)權(quán)限。

（3）隱藏：隱藏訪問接入點。

2.2.2長距離段的認證

這段通信主要考慮用GPRS/UMTS和WiFi/Wi MAX單一或聯(lián)合網(wǎng)絡來實現(xiàn)。目前這段網(wǎng)絡上的安全性基本上被認為是安全的。如WiFi網(wǎng)絡認證可考慮以802.11i（WPA2）和802.1x（EAP）為標準認證，WiMAX網(wǎng)絡認證以EAP和PKMv2 802.16g為標準認證［16］。

2.3網(wǎng)絡容量規(guī)劃

網(wǎng)絡容量規(guī)劃，根據(jù)網(wǎng)絡實際的限制和約束，合理地規(guī)劃設(shè)備數(shù)量、帶寬、網(wǎng)段，使系統(tǒng)在最佳條件下工作，設(shè)計過程中主要考慮的參數(shù)有節(jié)點數(shù)、ZigBee協(xié)調(diào)器數(shù)、集線器數(shù)、在每一個網(wǎng)絡段的表數(shù)、每一個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點的最大數(shù)量、電表數(shù)目、采樣時間間隔等。在實際情況下，合理配置上述參數(shù)，對網(wǎng)絡的穩(wěn)定、有效性具有一定的意義。當然還要結(jié)合其他參數(shù)，如與建筑物間距離，地區(qū)通信條件和信號覆蓋等環(huán)境條件限制情況等。

3　實例分析

根據(jù)本文第二章節(jié)分析，具體設(shè)計了一個例子，通過舉例來合理配置相關(guān)參數(shù)，以求達到最優(yōu)。如圖2所示。5棟住戶電表中，其中4棟樓住戶電表采用WiFi連接到一個集線器，第5棟樓住戶假設(shè)距離其他樓宇較遠，因此電表通過串口直接連接到另一個集線器。一個電表數(shù)據(jù)最多占有60個字節(jié)，包括標題和安全冗余部分。繪制成表格如表1所示。計算出端點、協(xié)調(diào)器、網(wǎng)橋、集線器數(shù)目如表2所示。

圖2　方案示例

表1　案列參數(shù)

表2　設(shè)備數(shù)統(tǒng)計　個

3.1識別和尋址

該系統(tǒng)由240用戶構(gòu)成，每個用戶構(gòu)成一個節(jié)點，共計240個節(jié)點，因此要惟一地識別這240個節(jié)點，并將節(jié)點對應于一個客戶。由于網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目不是很大，在這里只需要使用虛擬IP，C類IPv4網(wǎng)絡就足夠了。但必須考慮到它的可擴展性，地址分配成如表3所示。

表3　節(jié)點地址

當服務器平臺需要對端點進行訪問時，它只需要知道節(jié)點的IP地址，并自動請求到相應的集線器，再通過網(wǎng)關(guān)將地址解析，并將請求發(fā)送到相應的協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器再連接到惟一的一個端點，完成一次尋址，并對節(jié)點進行識別。

3.2容量規(guī)劃

在表2中，已經(jīng)計算出總節(jié)點數(shù)，ZigBee協(xié)調(diào)器總數(shù)、集線器總數(shù)。現(xiàn)在來計算下每個設(shè)備的處理信息量，如表4所示。最終得出通信鏈路的容量要求，從而為電表讀數(shù)和設(shè)備更新服務。

表4　通過網(wǎng)絡的每一單元流量統(tǒng)計

假設(shè)協(xié)調(diào)器和網(wǎng)橋有一個平均的處理能力，也就是說不管它們是單獨工作還是在集線器下協(xié)同工作，處理信息量相同。本設(shè)計適應于一個分布式的網(wǎng)絡，當在設(shè)備更新時，只需向集線器發(fā)送一次請求，再由設(shè)備負責發(fā)送必要的副本到每個端點，完成升級功能。本系統(tǒng)網(wǎng)絡簡單，信息量也不是很大，但它反映了一個組網(wǎng)的模型，如果要對一個中等城市進行組網(wǎng)，甚至更大，大約兩百萬電表。通過這種方式組網(wǎng)，大約需要10個集線器，每一個管理12 kb，管理服務器只需要120 Mb，帶寬不受限制。

4　結(jié)束語

本文提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)建立大規(guī)模智能抄表系統(tǒng)平臺。通過對平臺組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、容量規(guī)劃、安全與擴展性進行分析。能夠有助解決電力公司發(fā)展復雜的計費方案，建立靈活、更有效管理模式。組網(wǎng)過程中，傳感器將電表數(shù)據(jù)采集后通過ZigBee網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳遞給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將數(shù)據(jù)傳遞給集線器，再通過遠距離段無線技術(shù)，如WiFi，WiMAX，3G，GPRS將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)中心，形成一個完整的遠程自動抄表系統(tǒng)。平臺通過虛擬IP地址方法，實現(xiàn)對每一傳感器結(jié)點進行訪問，解決端點惟一識別問題，同時還可以擴展成其他公共事業(yè)使用，如水或煤氣等表的遠程讀數(shù)，可以與傳感器網(wǎng)絡集成結(jié)合使用。因此擴展性強，數(shù)據(jù)實時安全、可靠。

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金萍（1968），女，江蘇徐州人，高級工程師，研究方向為電能計量技術(shù)；

田正其（1987），男，江蘇南通人，工程師，研究方向為電能計量技術(shù)；

彭宇菲（1995），女，江蘇南京人，本科大三在讀。

Intelligent Meter Reading System of Wireless Sensor Network Based on ZigBee

JIN Ping1，TIAN Zhengqi1，PENG Yufei2
（1.State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China；2.Nanjing Normal University，Nanjing 210023，China）

At present，the solution to energy supply and demand balance of electric power company is based on the experience of controlling power consumption.Because of lacking detailed user consumption records，it is unable to predict the future consumption of power grid based on historical demand data.Intelligent meter reading system is based on wireless sensor network，such as short distance ZigBee network.Therefore，the system has the features of data security and user node scalability.The example model shows that the reasonable capacity planning can realize the automatic and real-time monitoring of remote user's electric meter.The accurate records and real-time data backup reduces the material consumption of paper documents，and the statistical analysis of household consumption data improves the efficiency of management and provides a valuable basis for energy saving.

wireless sensor network；ZigBee；extensibility；intelligent meter；remote monitoring

TM925

A

1009-0665（2016）04-0036-04

2016-03-14；修回日期：2016-04-29