第 1 章 绪论
1.1 课题背景
随着社会经济进步和居民生活水平的提高，对于电力的需求大大增加。1978年，全国电网覆盖率不到 50％，总电量仅为 2498 亿 kW·h。改革开放以来，1996年中国用电量超过万亿 kW·h，随后社会的对电力的消耗进入了增长快车道，到2011 年，我国已成为世界上用电量最大的国家。随着经济增长在国家的调控下逐渐放缓，这使得我国用电量增长的势头得到抑制，但也比改革开放初期有巨大的增长[2]。虽然用电规模在不断扩大，但是我国在电表抄录方面的发展并不显著。城市化不断推进，城乡规模越来越大，电表抄录工作的工作量增加迅猛。传统的电表抄录是由人工按月定时抄录，不但费时又费力，用电数据的准确性和实时性不能得到明确的保障，这种方式只能保证对用户用电量的计量收费，对于更深层次的需求如用电实时调度和分析不能保证。用电设备的智能化管理已经是迫在眉睫的需求。所谓智能化主要是体现在快捷性，安全性，简单性上，社区电表自动抄录系统就是设备智能化管理的实例。自动化抄表系统已经成为电力系统走向现代化的必然发展方向。自动化抄表（Automatic Meter Reading - AMR）是指综合采用计算机技术、通信技术、计量技术和用电技术，利用物联网手段自动读取和处理相应数据，集采集、传感、传输于一体的系统。自动化抄表系统能很好地满足能耗管理部门提高自动化水平的需要[1][8]。远程自动化抄表是将用户家中的电表终端测得的数据定期通过物联网自动发送回数据中心，并对数据中心的数据进行分析，然后优化电力分配电路，电力需求感知，以及基础的电费计费功能[2][6]。
物联网（Internet of Things）是支撑智能电表抄录系统的基础网络[4]。物联网是一个由相互关联的计算设备组成的系统，所有设备都具有唯一的标识符（UID），并具有通过网络传输数据的能力。物联网技术由多种技术支撑，如实时分析，机器学习，传感器以及嵌入式技术。并且由于这些技术的融合而得到了长足发展。对嵌入式系统，无线传感器网络，控制系统，机械自动化等传统领域的研究都为实现物联网做出了贡献。物联网技术在快速发展的同时，也为智能自动抄表系统的发展打下基础。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
国外在自动抄表领域的发展起步较早，相对我国具有一定的领先。早在 1972年，美国发明家 Paraskevakos 就与波音公司合作，开发了一种传感器监控系统，该系统将数字传输用于安全，消防和医疗警报系统以及自来水、居民用电等的抄表系统[1][6][7]。1977 年，他创立了 Metretek 公司，该公司开发并生产了第一个全自动的，商用的具备负载管理功能的远程抄表系统。由于当时基础设施落后，没有互联网、物联网等概念，该系统使用了一种 IBM 小型计算机，成本高昂。美国在 1986 年以后就每半年组织相关领域人士举行一次自动抄表技术会议专题报告。1998 年，美国匹兹堡市 Duquesne 已在其供电区域内完成自动抄表系统的部署，区域内少部分用户采用了移动无线电、固定无线电采集的方式，其余的用户采用电话线方式采集数据。到 1999，根据美国自动抄表协会（AMRA）所作报告可知，美国有 4 家公司拥有已安装和投入超过 100 万单元的电力自动抄表系统，所采用的方式有固定无线电、车载无线电、配电线载波 PLC 等方式[1]。除美国以外，欧盟各国都有报告显示已实施自动抄表系统的研究和应用。并且欧洲近年来也成立了欧洲自动抄表技术协会，而且按年举办国际学术交流会议。此外，在亚洲的日本以及一些拉美国家都出现了自动抄表系统相关的应用报道。分析国外的应用情况可知，国外对智能电表研究主要表现在设计生产的产品采样率高、实时性好，设计的系统可扩展，测量范围广。另外根据国外的经验可知，自动化抄表系统研发的主要驱动力并不是减少劳动力成本，而是获得大量传统方式难以获取的数据。例如，许多地区的消费者要求每月的电费以实际读数为基础，而不是基于隔一段时间的一次人工抄表来估算每月的用电量[11][12][11]。
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第 2 章 自动抄表系统实现技术的分析及选择
2.1 通信技术的分析
无线通信通信技术经过长时间的发展， 目前有很多种已经得到成熟应用的技术。工业界常用的技术包括应用于短距离无线通讯的蓝牙和蓝牙低功耗协议、WI-FI 协议、射频识别技术(Radio Frequency Identification)、ZigBee 协议。应用于长距离的无线通信技术有 WiMax、GPRS、卫星通讯等，详细介绍如下。
（1）蓝牙和蓝牙低功耗技术
蓝牙(Bluetooth)和低功耗蓝牙(Bluetooth low energy)是用于在短距离内传输数据的无线技术。该技术通常用于用户智能手机、平板和电脑，耳机，音箱等的小型设备中。这种技术已经广泛集成在一般影音娱乐的设备当中。蓝牙低功耗协议设计比标准的蓝牙协议耗电更少，并且在一些要求长时间续航的设备中使用，比如智能手环和智能手表，以及在其他一些需要长续航的数据采集硬件中使用。这种几乎可以在不严重损耗用户手机电池电量的情况下通过无线传输数据。蓝牙低功耗技术才刚刚开始兴起，目前使用的前景非常广阔。该技术最初是由手机制造领域著名的厂家诺基亚于 2006 年推出，但一直到 2010 年蓝牙低功耗协议才成为蓝牙标准协议的一部分。如今，绝大多数的智能手机和计算机、平板电脑制造商以及大多数应用于物联网的低功耗设备制造商都支持蓝牙低功耗协议。目前主流的操作系统，包括 Windows 系统 , 多数 Linux 发行版, Android 的较新版本和 iOS 系统都支持这一协议。蓝牙使用超高频或特高频(UHF)无线电波进行数据传输。该技术最初被 IEEE 802.15.1 进行标准化，但 IEEE 后来不再维护该特定标准。目前制造的设备使用蓝牙协议的公司通常要加入蓝牙特别兴趣小组（SIG）。该小组目前有 20000 多名成员，该小组中的成员必须对产品进行认证，然后才能将其作为标准蓝牙设备推向消费者市场或企业市场。该认证有助于确保所有蓝牙设备以符合标准的方式运行，并为消费者提供相同的体验。
（2）Wi-Fi 技术
Wi-Fi 技术使用无线电波进行通讯。一般来说连接同一个路由器组织的网络中的两个设备可以相互通信。该技术最常用于连接了 Wi-Fi 网络计算机，平板电脑和智能手机等设备通过路由器与 Internet 相连。同样的它也可以用于将任何两个硬件通过 Wi-Fi 连接在一起。进行通讯和数据的传输。 Wi-Fi 是符合由电气电子工程师协会（IEEE）制定的 802.11 标准的本地无线网络协议。Wi-Fi 可以使用全球 2.4GHz UHF 频段和 5GHz SHF ISM 频段。Wi-Fi 联盟负责对使用 Wi-Fi协议的产品进行认证，使它们可以标记为“ Wi-Fi 认证”。为了获得认证称号，产品必须经过联盟的互操作性认证测试。IEEE 802.11b，802.11g 和 802.11n 这三种标准在 2.4GHz ISM 频段上运行，所以该频段容易受到某些蓝牙设备或者某些微波炉和无线电话的干扰。
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2.2 ZigBee 和 Wi-Fi 共存的分析
ZigBee 和 Wi-Fi 通道都存在于 2.4 GHz 频带中，并且存在于完全相同的频率空间中。在同一环境中同时部署 Wi-Fi 和 ZigBee 时，必须进行仔细的计划以确保它们不会相互干扰。以相同的频率运行 ZigBee 网络和 Wi-Fi 网络会导致它们相互干扰。一般情况下，ZigBee 网络会受到干扰。
ZigBee 的底层标准把 2.4 GHz 的 ISM 频段划分为 16 个信道，每个信道带宽为 2 MHz，见图 2-3。Wi-Fi 将该频段划分为 11 个直扩信道，系统可选定其中任意信道进行通信，见图 2-2。其中每个信道带宽为 22 MHz，所以 11 个信道有重叠，无重叠的信道最多只有 3 个。显然，假定 Wi-Fi 系统工作在任一信道，则ZigBee 和其信道频率重叠的概率为25%当 ZigBee 和Wi-Fi 在相同时间段用相同频段传输信号时，产生干扰，致使传输分组发送冲突。所以 ZigBee 和 Wi-Fi 共同使用时要考虑干扰问题。
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基于上述分析可知，ZigBee 可以和 Wi-Fi 同时使用。
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第 3 章 ZigBee 网络的 OPNET 仿真....................................15
3.1 OPNET Network Simulator 介绍.............................15
3.2 ZigBee 协议栈细节........................................15
3.3 OPNET 仿真.............................................16
第 4 章 系统整体抄表方案设计............................................23
4.1 电表按楼层安装的设计方案.........................................23
4.2 ZigBee 终端节点功能设计............................................24
第 5 章 系统具体软硬件设计................................................29
5.1 IAR 开发环境.........................................29
5.2 ZigBee 无线通讯模块开发...........................................29
第 6 章 系统测试
6.1 运行测试
ZigBee 协调器节点和 ZigBee 路由器节点分别作为主集中器和集中器首先通电运行，完成设置后将 ZigBee 终端设备节点通电运行。集中器负责将 ZigBee 终端节点发送过来的数据进行转发，在转发期间不接收终端节点传来的数据(转发耗时很少，远小于终端节点的发射窗口，不会造成影响)。ZigBee 设备节点设定定时任务，触发定时任务时进行数据的采集和发送，其余时候尽可能休眠。
ZigBee 协调器节点和 ZigBee 路由器通电运行之后，进行组网。组网成功后如下图 6-2 所示。
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结论
在全球变暖，温室效应加剧的大环境下，为了国家节能减排的战略，同时也为了弥补传统的电表抄表方式的不足，本设计实现基于 ZigBee 和 Wi-Fi 无线传输技术和互联网信息技术的智能自动抄表系统。本文首先分析论证了七种无线通信技术的优缺点，讨论了 ZigBee 和 Wi-Fi 共存时可能会出现的问题和解决的方法。已系统的安全性、经济性、可靠性为出发点，最终选择了 ZigBee 技术、Wi-Fi技术和互联网技术作为传输媒介，ZigBee 片上系统 CC2530 的开发板和 Wi-Fi 模块 ESP-8266 的子型号 ESP-12F 芯片。针对居民楼的现实抄表环境，该系统设计了 ZigBee 网络。ZigBee 网络设备分为终端节点，协调器，路由器三种。作为数据主集中器的 ZigBee 协调器负责和 Wi-Fi 模块通讯，将数据发送到 OneNet 平台进行存储。
考虑到居民家中也有用自来水、天然气的情况，可以将电表抄表的情况扩展到水表自动抄表和天然气表自动抄表的系统中，实现三表共抄的集中系统。
物联网的技术的发展日新月异，如今 5G 技术的兴起更促进了物联网技术的发展，未来的物联网会发展的更好。这种新技术已经应用到生活的方方面面，人工智能近几年的代表事件时 Alpha 战胜李世石，信息技术已经具有很强大的学习和应对能力。智能扫地机器人，智能音箱等智能家居已经得到越来越普遍的应用。物流、仓储、无人超市等行业也在越来越多的应用物联网技术，相信在未来还会有更加广泛的应用。本设计所描述的基于 ZigBee 和 Wi-Fi 无线传输技术和互联网信息技术的智能自动抄表系统也是物联网发展浪潮下的一部分。虽然系统已经设计完了，但是在设计和测试中发现了下列问题：
l)鉴于当前的楼层集中安装方案，还需考虑电表和协调器间距对数据收集的影响，墙壁厚度对于数据传输信号强度的影响、一个楼层内的电表数据需要多少采集装置进行采集、一个协调器实际可以连接多少电表采集终端的问题。
2)对用户的使用更加友好。信息技术的发展是为了让人们的生活更加方便，在产品的推广应用上也应该以用户为中心进行。设计的初衷是为人类提供更加便捷的生活，基于此，本方案使智能抄表方便快捷是其明显优势，但还存在不足，例如未考虑用户的支付款项问题，那么在今后的工作中深化设计，增加智能支付方式与功能。
参考文献（略）