基于無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程電力抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

利用ZigBee近程雙向無線網(wǎng)絡(luò)和GPRS分組交換系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)程電力抄表系統(tǒng)。對單元樓道內(nèi)住戶的電表數(shù)據(jù)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)收集，而從單元樓到電力公司抄表中心的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送則由GPRS來完成。具有簡單、易維護(hù)及管理方便等特點(diǎn)。

系統(tǒng)總體架構(gòu)
系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括：終端模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和遠(yuǎn)程服務(wù)器三部分。在一個(gè)局部范圍內(nèi)采用ZigBee的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將各個(gè)電表通過通信口與Zigbee RFD（簡化功能設(shè)備））模塊進(jìn)行有線的連接通信，構(gòu)成一個(gè)終端模塊，根據(jù)路由算法選擇最優(yōu)的通信路徑，把電表數(shù)據(jù)收集到一個(gè)ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)中，然后借助GPRS的遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)，把獲得的數(shù)據(jù)信息送到遠(yuǎn)程的服務(wù)器，同時(shí)，遠(yuǎn)程的服務(wù)器可訪問和控制任何一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

硬件設(shè)計(jì)
1 終端模塊設(shè)計(jì)
終端的處理器模塊和無線通信模塊采用一片CC2430芯片。CC2430是TI公司生產(chǎn)的新一代2.4GHz射頻系統(tǒng)單片機(jī)，片內(nèi)整合了RF收發(fā)器，增強(qiáng)型8051MCU、64KB的Flash內(nèi)存、8KB的RAM、2個(gè)USART等大量電路，只需極少的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)信號的收發(fā)功能。其硬件圖如圖2所示。電路中的非平衡變壓器由電容C4和電感L1、L2、L3以及一個(gè)PCB微波傳輸線（兩個(gè)等效的λ/2電阻）組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。系統(tǒng)只需外接一片MAXIM公司的MAX3485芯片，進(jìn)行UART和RS-485的電平轉(zhuǎn)換，以完成和電表的通信。

圖2 終端模塊硬件原理圖

注意，系統(tǒng)使用3V紐扣電池供電，功耗很低（接收數(shù)據(jù)時(shí)為27mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)為25mA）。MAX3485也是低功耗芯片，和CC2430的電壓等級兼容。

2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要芯片包括一片CC2430和一片MC35i。MC35i是西門子公司生產(chǎn)的新一代GSM/GPRS雙模模塊，支持?jǐn)?shù)據(jù)、短信、語音和傳真業(yè)務(wù)，采用低功耗設(shè)計(jì)，支持電壓范圍3.3～4.4V，電流消耗僅為3.0mA（睡眠）/10.0Ma（閑置）/300mA（通話，最高2.0A）/100μA（掉電），特別是MC35i的GPRS永久在線功能，提供了最快的數(shù)據(jù)傳輸速率。

CC2430完成Zigbee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的收集、存儲。MC35i通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器上，同時(shí)，接收和解析從遠(yuǎn)程服務(wù)器上傳來的命令信息，來控制整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還擴(kuò)展了一片128×64點(diǎn)陣的LCD液晶模塊來完成網(wǎng)絡(luò)中信息的顯示。根據(jù)需要，還可以外擴(kuò)一定容量的Flash以滿足存儲程序和數(shù)據(jù)的需要。外接的RS232接口，支持程序的下載和調(diào)試。其硬件框圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件框圖

由于系統(tǒng)的整體硬件原理圖較大，在此省略。

軟件設(shè)計(jì)
ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自管理的功能。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用的是動態(tài)地址分配的機(jī)制。軟件設(shè)計(jì)主要包括終端模塊的嵌入式軟件部分、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件部分以及服務(wù)器的管理軟件。

1 終端節(jié)點(diǎn)程序流程
終端節(jié)點(diǎn)的主要功能就是加入現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)中，讀/寫電表的數(shù)據(jù)，接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)和命令，然后根據(jù)命令去操作電表。終端設(shè)備平時(shí)處于“休眠”狀態(tài)，只有硬件中斷能夠喚醒它進(jìn)入工作狀態(tài)。硬件中斷分為三類，分別為管理信息中斷、數(shù)據(jù)信息中斷和底層硬件中斷，系統(tǒng)判斷出不同的中斷類型，轉(zhuǎn)去執(zhí)行對應(yīng)的工作，執(zhí)行完后又進(jìn)入“休眠”狀態(tài)。如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)流程圖

2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
網(wǎng)關(guān)設(shè)備是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，一方面擔(dān)任起網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，另一方面還要完成與Web服務(wù)器的通信。

首先系統(tǒng)開始啟動，然后初始化所有的硬件和軟件，并組織以自己為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)，初始化網(wǎng)絡(luò)的深度等網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的信息，然后定時(shí)發(fā)送信標(biāo)幀。隨后進(jìn)入中斷的循環(huán)檢測和處理過程，查看是否有中斷信息的到來，如果是來自網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)中斷，則對此數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，然后發(fā)送給GPRS模塊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程的服務(wù)器端，并且給網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點(diǎn)確認(rèn)信息。如果這個(gè)中斷是來自網(wǎng)絡(luò)中管理信息的中斷，例如，一個(gè)節(jié)點(diǎn)申請加入到該網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，則根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量，給出相應(yīng)的應(yīng)答信息給此節(jié)點(diǎn)。

注意網(wǎng)關(guān)模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器的通信模式：網(wǎng)關(guān)模塊要把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程的服務(wù)器，先是通過串口用AT命令集把數(shù)據(jù)發(fā)到GPRS模塊，有GPRS模塊完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)GPRS模塊接收到數(shù)據(jù)，會通過串口，以中斷的方式告知。通知控制器來處理數(shù)據(jù)。

 3 服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)
服務(wù)器從指定端口的TCP SOCKET接收電表數(shù)據(jù)，按照網(wǎng)關(guān)設(shè)備終端確定的應(yīng)用層數(shù)據(jù)格式從各數(shù)據(jù)報(bào)中提取電表數(shù)據(jù)，最后把接收到的電表數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫的DeviceData字段中。服務(wù)器數(shù)據(jù)庫選用的是SQL Server2000。

低功耗設(shè)計(jì)
從兩個(gè)方面進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)，即本質(zhì)低功耗設(shè)計(jì)和控制低功耗設(shè)計(jì)。

本質(zhì)低功耗設(shè)計(jì)是指所使用的電子元器件都采用低功耗類的元器件，其特點(diǎn)是低電壓供電。本系統(tǒng)采用的CC2430、MC35i以及MC3485等都采用的是低功耗芯片。

控制低功耗設(shè)計(jì)是指在系統(tǒng)工作時(shí)通過控制各部分的供電來降低系統(tǒng)總功耗。本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)在初始化完畢后即進(jìn)入休眠狀態(tài)，只有在外中斷喚醒它時(shí)才進(jìn)入工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后又進(jìn)入休眠狀態(tài)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由定時(shí)器控制定時(shí)發(fā)送信標(biāo)幀進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)動態(tài)管理，接收網(wǎng)絡(luò)的中斷信號進(jìn)行相應(yīng)的操作，除此之外的其他時(shí)間網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也進(jìn)入休眠態(tài)。通過對程序的仔細(xì)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以有80%以上的時(shí)間處于休眠態(tài)，因此也極大地降低了功耗。

實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)測試，ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信成功率98.12%，電池在系統(tǒng)測試運(yùn)行1個(gè)月后幾乎沒有降低，實(shí)際使用時(shí)可以保證9個(gè)月以上的壽命。

結(jié)束語
介紹了一種基于ZigBee和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程電力抄表系統(tǒng)。利用ZigBee協(xié)議簡單、成本低、距離近、動態(tài)組網(wǎng)以及GPRS網(wǎng)絡(luò)瞬間上網(wǎng)、永遠(yuǎn)在線、按量計(jì)費(fèi)、數(shù)據(jù)傳輸量大的特點(diǎn)，以一個(gè)樓道或一棟建筑物為單元組建一個(gè)無線局域網(wǎng)，再利用ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)電力公司的抄表中心，較好地解決了現(xiàn)行抄表系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)眾多、布線復(fù)雜、維護(hù)不便的問題。終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)所選用的CC2430和MC35i均為行業(yè)最具代表性的芯片，功能強(qiáng)大、集成度高且均為低功耗芯片，同時(shí)在程序中注重了“休眠”低功耗設(shè)計(jì)。原型系統(tǒng)通信可靠、耗電極低、抗干擾能力強(qiáng)，其推廣應(yīng)用前景十分遠(yuǎn)大。