基于ZigBee技術的無線抄電表系統(tǒng)設計

     人工抄電表對于一般用戶而言是可行的，然而相對于供電部門有很多不足，需要進更深層次的分析和管理也是不夠。現實的需求催生著抄電表系統(tǒng)技術和應用不斷產生。目前智能卡電表和有線自動抄電表系統(tǒng)都存在一定的不足和成本高的問題。隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，近年來出現了面向低成本設備無線聯(lián)網要求的ZigBee技術。系統(tǒng)最佳的方案應當是前期投入的成本低，運行成本非常低甚至沒有。由此本文提出一種基于 ZigBee技術抄電表方案。 
1 ZigBee 技術特點^[2]
            (1)低功耗：ZigBee技術采用了低功耗的工作模式，通常兩節(jié)五號電池可以使用長達6個月到2年。
            (2)可靠性高：ZigBee采用了CSMA－CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突；MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。

            (3)節(jié)點通信設置易于配置。
            (4)成本低：ZigBee模塊價格較低，且ZigBee協(xié)議是免專利費的；ZigBee的工作頻段靈活，為免執(zhí)照頻段的2.4GHz，就是沒有使用費的無線通信。

            (5)網絡容量大：ZigBee可以采用星型、網狀、串狀結構組網，而且可以通過任一節(jié)點連接組成更大的網絡結構，可以連接的節(jié)點多達6500個。一個ZigBee網絡可以容納 254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡。
            (6)數據安全：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用 AES-128同時各個
            應用可以靈活確定其安全屬性。
2 CC2430芯片的簡介^[2]
2.1 CC2430芯片的主要特征：
            (1) 高性能和低功耗的 8051微控制器核。
            (2) 集成符合 IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機。
            (3) 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。
            (4) 在休眠模式時僅 0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng) ;在待機模式時少于0.6μ A的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。
            (5) 硬件支持 CSMA/CA功能。
            (6) 較寬的電壓范圍（ 2.0～3.6 V）。
            (7) 數字化的 RSSI/LQI支持和強大的DMA功能。
            (8) 具有電池監(jiān)測和溫度感測功能。
            (9) 集成了 14位模數轉換的 ADC。
            (10) 集成 AES安全協(xié)處理器。
            (11) 帶有 2個強大的支持幾組協(xié)議的USART，以及 1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和 2個8位計時器。
            (12) 強大和靈活的開發(fā)工具。
2.2 CC2430引腳介紹

            圖 1為 CC2430的頂視圖。其中外露的芯片安裝襯墊必須連接到 PCB的接地層，芯片通過該處接地。CC2430具有CC2420RF接收器以及增強性能的 8051MCU、8KBRAM等，其增強的 8051MCU核的性能是工業(yè)標準 8051核性能的 8倍。CC2430還具備直接存儲器定址（DMA）功能（它能夠被用于減輕
8051微控制器內核對數據搬移，因此提高了芯片整體的性能）、可編程看門狗定時器、 AES-128安全協(xié)處理器、多達 8輸入的 8-14位ADC、USART、睡眠模式定時、上電復位、掉電檢測電路(Brown Out Detection)、21個可編程I/O管腳等，兩個可編程的 USART用于主 /從 SPI或 UART操作。帶外部功放的 CC2430參考設計可提供+10dBm的輸出功率。 CC2430片上系統(tǒng)(SoC)由 CC2430加上 Motorola的基于 IEEE802.15.4標準的無線電定位引擎組成。CC2430芯片采用 7 mm×7mm QLP封裝，共有 48個引腳(如圖1所示)。全部引腳可分為 I/O 端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。

3 基于 ZigBee技術的無線抄電表系統(tǒng)
3.1設計的總體方案基于 ZigBee技術的無線抄電表系統(tǒng)如圖 2所示。
            
            各部分的主要功能如下：
            （1）數據庫和控制中心 : 具有建立、管理整個網絡的功能，對網絡進行監(jiān)控；可設置定期和隨機向 DCT發(fā)送數據采集命令，接受數據，并存儲數據；對數據庫進行管理。
            （2） 工作站: 起數據上傳下送的中繼作用，負責啟動、配置、協(xié)調整個Zigbee無線網絡，可將控制中心發(fā)出的命令發(fā)給DCT，接受DCT返回的數據并通過網線并采用TCP/IP協(xié)議，把收集到的數據送至控制中心，具有存儲轉發(fā)的功能；每個工作站可以暫存下屬 DCT的數據；可以查看用電記錄、 DCT和電表狀態(tài)等數據。
            （3） DCT（data collection and transmission unit）:脈沖采集和無線傳輸部分，具有脈沖采集、存儲、接受指令和發(fā)送數據的功能，接受工作站發(fā)送的指令并按指令去完成的動作。
3.2 系統(tǒng)功能介紹：
            1. DCT采集功能：
            (1) DCT電源部分：采用兩節(jié)五號電池，一次更換可以維持半年至兩年。
            (2) DCT數據表存儲器：這部分要有一定的空間存放數據，當數據量較少時，可以利用芯片的Flash存放，如果數據量較大，可以留個備用接口，可對容量進行擴展。
            (3) DCT計時系統(tǒng)：
            a．主要提供時鐘進行等間隔取樣和啟動預設任務和程序。
            b．可以通過遙控指令進行校正。
            (4) DCT脈沖采集接口：與電能表相連的DCT應設一個緩沖界面，通過這個界面，可以切換到不同型號電能表，使可對多種電能表進行脈沖采集，轉變?yōu)橄鄳葦怠?br />             (5) 采集方式:可以定期采集，也可以在接到控制中心命令后進行隨機采集，與電能表連接的 DCT可以隨機采集脈沖。
            (6) 外設接口:可以讓相關人員直接用手提電腦連接控制器，進行檢測和排除故障等功能。
            2. 無線發(fā)送、接收功能：工作站每隔一段時間后定期實現對其范圍內的采集點進行信息的傳遞和匯集。
            (1)各個 DCT可看作節(jié)點，通過無線Zigbee逐次節(jié)點來傳輸信息;每個節(jié)點出現異常，都可以通過外設接口進行處理?？紤]到住區(qū)范圍可能大于ZigBee無線通信的距離，所以對于規(guī)模較大的區(qū)域，設置多個 DCT，把數據往上一級傳送，然后送到工作站，最后到達控制中心。
            (2)發(fā)送：第一個節(jié)點指向第二個節(jié)點，當第二個節(jié)點狀態(tài)無效時，第一個節(jié)點指向第三個節(jié)點，以此類推；即對同伴 ID寄存器的 ID呼叫，如果A沒有回答，呼叫 B；B也沒有回答，呼叫 C；如果沒有回答，要把狀態(tài)寫到狀態(tài)寄存器。

            (3) 第一個節(jié)點呼叫第二個節(jié)點，發(fā)送呼叫信號判斷第二個 DCT狀態(tài)是否有效： 
            a.有效：發(fā)送呼叫第一個節(jié)點傳輸數據的應答信號。
            b.無效：發(fā)送失敗應答信號、并傳輸第二個節(jié)點狀態(tài)和第三個節(jié)點 ID給第三節(jié)點。
            (4) 接收應答信號：
            a.傳輸數據的應答信號：向第二節(jié)點傳輸數據。
            b.失敗的應答信號：當超過預定時間沒有收到應答，重發(fā)；重發(fā)超過 5次，就判定失敗，存儲第二個節(jié)點狀態(tài)，向第三節(jié)點發(fā)送呼叫信號。
            (5) 接收數據：
            a.誤差檢測。
            b.出錯處理。
            (6) 傳輸數據完畢，指示該 DCT清空。
            3．節(jié)點功能：
            (1)  采集以及存儲：通過計時器以及脈沖輸入計數器記錄在單位時間內的數據足夠的儲存空間儲存未上交的數據，數據發(fā)送并得到確認后，自動清空儲存空間，繼續(xù)記時。

            (2) 節(jié)點數據的發(fā)送：為了不引起數據傳輸時的數據沖突，每個節(jié)點設置不同的固定的發(fā)送時間。發(fā)送數據包括以下內容：發(fā)送源ID，數據類型，目標ID，數據/控制字段，校驗字段。具有發(fā)送列表，規(guī)定出固定可能的轉發(fā)對象。使用三次握手保證數據的正確傳送。

            (3) 節(jié)點數據的接受:節(jié)點擁有接受工作站命令以及中轉其他節(jié)點信息功能，設計拓撲網絡以及轉發(fā)表，規(guī)定具體數據接受，轉發(fā)以及拋棄。遇到堵塞節(jié)點上交異常消息。

            (4) 與工作站相連的收發(fā)節(jié)點能定時發(fā)送檢測信號，觀察各節(jié)點運行狀況，并上交具體故障點。該節(jié)點與工作站以串口方式連接。
            4. 網絡傳輸功能：控制中心能對內部局域網的所有工作站匯集信息進行 TCP/IP傳輸、存儲。
            (1)各個工作站通過局域網網絡傳輸數據至控制中心：
            a. 建立 NFS(網絡文件系統(tǒng))；
            b. 建立主機(控制中心)、客戶端(工作站)應用程序。
            (2)控制中心建立數據庫，存儲所有工作站的信息。
            5. 控制中心數據庫查詢功能：
            (1) 查詢管理：按 ID查詢、出錯狀態(tài)查詢，對數據源數據能進行動態(tài)預覽。
            (2) 統(tǒng)計功能：按照具體的條件進行統(tǒng)計，對統(tǒng)計結果能進行動態(tài)預覽。
            (3) 控制中心通過數據庫可查詢所有數據源的ID、狀態(tài)和數值。
            (4) 員工管理：員工信息添加、修改、刪除、權限設置等。
            (5) 權限管理：
            a.最高權限：對數據庫有全權控制，該權限無法通過網絡進入，須在控制中心才能行使該職能。
            b.一般權限：需驗證登錄，用戶可通過瀏覽器進入控制中心瀏覽數據庫相關記錄，但不能修改。
            6. 數據源狀態(tài)監(jiān)測：通過 4字節(jié)(32位)來實現數據點當前狀態(tài)的定義。

4.結束語
            本文介紹了一種基于 ZigBee技術的無線抄電表系統(tǒng),該系統(tǒng)采用的ZigBee技術具有協(xié)議簡單,成本低,傳輸可靠,數據安全性高，雙向無線通信技術等優(yōu)點。不過CC2430可能由于功率的限制，傳輸距離還有待提高。個人水平經驗所限，還有許多可以進一步完善地方，特別是網絡接口部分。
            本文的創(chuàng)新點:實現一個能完成基本無線網絡通信的系統(tǒng) ,；實現單片機通過RS232接口與微機的通信，使整個無線網絡的數據可以傳送到微機上，并通過TCP/IP協(xié)議送到數據中心；而且該系統(tǒng)前期投入少，日常維護成本很低,它適合于遠程無線抄電表系統(tǒng)。