基于物联网技术的无线抄表解决方案v1.2

基于物联网技术的无线抄表管理系统

一、应用需求

在企业生产车间里计量表（水表、电表、气表、流量计等）数据按传统的手工方法抄写对于员工来说不但工作环境差、工作效率低、费时费力，而且其准确性和及时性得不到有力保障，这导致了企业的生产管理、市场营销、高层决策等方面不能获得足够详细和准确的原始数据；一般生产车间计量表数据人工抄写都按班抄表统计，对于企业车间的简单计量统计来说是勉强可行的，但对于相关管理部门进行更深层次的分析和管理决策却不够；然而对于传统的有线传输系统在实际施工会遇到难度大、成本高及工期长等问题，从而促进物联网关键技术之一工业无线传感器网络远程采集系统的技术和应用的不断发展。生产车间计量表数据的抄送方式、准确性、及时性、可分析性等，都直接影响企业的生产效率、市场营销、甚至管理决策、经济效益方面。

随着无线通信技术的不断发展和物联网技术应用发展的需求，近年来出现了面向低成本设备无线网络技术，称之为无线传感器网络，即WSN，目前全世界最成熟最通用的国际标准为Zigbee，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术， 主要适合于自动控制、远程控制及数据采集等领域，我司在Zigbee技术标准基础上进行了优化和创新，更好地为企业提供基于物联网技术的生产车间计量表数据无线远程采集解

决方案，提高企业的工作效率、改善员工工作环境、减少人工成本、增强企业核心竞争力，促进信息化水平。

二、Zigbee 技术标准介绍

Z igbee是一种无线连接网络技术的商业化命名，Zigbee标准基于 802.15.4 协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。

图一 Zigbee 星型网络结构

星型网络结构特点：

●支持点对点、点对多通信

●中心节点为 Zigbee 协调器

●终端节点Zigbee 终端设备的所有数据经过中心节点

●适合圆形分散、距离较近的设备联网

图二 Zigbee 网状网络结构

MESH 网状网络结构特点：

●系统采用多跳式路由通信 网络容量很大

●可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构

●MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络的所有实

体只有要通信范围之内，都 可以互相通信，如果没有直接通路，还可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组 成极为复杂的网络；除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。 Zigbee 技术主要特点：

✧设备省电：Zigbee 技术采用了多种节电的工作模式；

✧通信可靠：Zigbee 采用了 CSMA－CA 的碰撞避免机制，同时为

需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；

✧网络的自组织、自愈能力强：Zigbee的自组织功能：无需人工

干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络； Zigbee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等， 网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

✧成本低廉：设备的复杂程度低，Zigbee协议是免专利费的，这

些可以有效地降低设备成本； Zigbee的工作频段灵活，为免执照ISM频段的 2.4GHz，就是没有使用费的无线通信。

✧网络容量大：一个 Zigbee 网络可以容纳最多254个从设备和一

个主设备，一个区域内可以同时存 在 200 多个 Zigbee 网络；

✧数据安全Zigbee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法

采用 AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

✧Zigbee与其他无线网络标准对比

图三 主流无线标准对比

三、基于物联网技术的无线抄表管理系统解决方案

通过前面企业对生产车间计量表数据采集的需求分析，结合 Zigbee技术特点和优势，以及我司在Zigbee标准基础上在通讯距离、工作性能、运行功耗、加密算法、路由算法等方面优化和创新，我司自主研发的基于物联网技术的无线抄表管理系统能完全满足企业对生产车间计量表数据采集的时效性、准确性、统计分析以及投入成本等方面要求。

图四 系统整体拓扑图

● 采用MESH 网状网络结构，保证数据传输的可靠性

● 每个生产车间设置Zigbee 远端节点采集本车间内计量表数据的

采集并上传给本厂的Zigbee 中心节点（集中器）

● 每个厂设置一个Zigbee 中心节点（集中器），由Zigbee 中心节

点收到的数据通过Zigbee 无线传感器网络上传到数据采集管理中心，上位机管理软件对数据进行记录、统计、分析等。

Zigbee 集中器生产车间 数据采集管理中心

图五 生产车间计量表无线数据采集拓扑结构图

● 根据现场情况可以采用RS485有线和Zigbee 无线相结合，发挥

各自优势，缩短工期、降低成本及提高稳定性。

● 每个生产车间邻近的计量表通过RS485总线连接数据采集器，再

连接到Zigbee 远端节点。

● 每个生产车间设置一个Zigbee 远端节点，负责整个生产车间的

数据收发或作路由器，Zigbee 远端节点通过无线网络上传到Zigbee 中心节点。

Zigbee 无线采集模块主要硬件参数

输入电压

外置DC 5V-12V 温度范围

-400C --850C 串口速率 38400bps（默认），可设置9600bps, 19200bps, 38400bps,

57600bps, 115200bps

无线频率

2.4G(2460MHz), 用户可通过串口指令更改频道（2405MHz –

2480MHz，步长：5MHz），16个信道。 Zigbee 远端节点Zigbee 远端节点