基于ZigBee的遠(yuǎn)程電力抄表數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

摘要：為設(shè)計(jì)一種安裝維護(hù)方便，低功耗和數(shù)據(jù)通信可靠的數(shù)據(jù)采集終端，根據(jù)無(wú)線技術(shù)發(fā)展，提出一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程電力數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)方案，AVR作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)對(duì)采集的電量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行智能控制，利用ZigBee短距離無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，大大減少了工程的布線復(fù)雜度，提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性，降低了功耗。試驗(yàn)結(jié)果表明，終端工作可靠、正常。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集器；ZigBee；低功耗

0 引言
    電量計(jì)量與抄收是現(xiàn)代電力營(yíng)銷系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的電量管理采用人工方式進(jìn)行抄收和結(jié)算，具有一致性差，管理難度大等問(wèn)題。由于電表分布點(diǎn)多、面廣、環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，自動(dòng)抄表系統(tǒng)一直難以實(shí)用化，其中的主要原因是缺少實(shí)用、可靠、廉價(jià)的數(shù)據(jù)傳輸手段和抄表終端。
    基于以上原因，設(shè)計(jì)一種安裝維護(hù)方便、長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，不但可以抄讀表具數(shù)據(jù)而且可以監(jiān)控表具運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程抄表數(shù)據(jù)終端，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)亟待解決的問(wèn)題。本文給出了一種基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表數(shù)據(jù)終端，通信質(zhì)量好、工作可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可以準(zhǔn)確及時(shí)地將用戶電能表數(shù)據(jù)抄取上傳，是一種理想的自動(dòng)抄表解決方案。

1 遠(yuǎn)程電力抄表系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先通過(guò)電能表的RS 485總線數(shù)據(jù)接口傳輸給采集器。采集器巡檢各表RS 485總線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或計(jì)數(shù)，并將結(jié)果存儲(chǔ)。采集器與集中器的通信采用ZigBee無(wú)線通信模塊，采集器平時(shí)處于接收狀態(tài)，當(dāng)接收到集中器的操作指令時(shí)，按照指令內(nèi)容操作，將本采集器有關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊送至集中器。集中器可以定時(shí)或?qū)崟r(shí)地對(duì)下轄的采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)抄收，并進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)上級(jí)設(shè)備——計(jì)算機(jī)調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí)，則將所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)打包送上。管理中心計(jì)算機(jī)可以對(duì)集中器，并通過(guò)集中器對(duì)采集終端進(jìn)行各種操作。系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
2．1 數(shù)據(jù)采集器硬件框圖
    如圖2所示，數(shù)據(jù)采集器模塊中選用ATmega 1281單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理單元，采用與ZigBee／IEEE 802．15．4兼容的無(wú)線射頻收發(fā)芯片AT86RF230設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸單元，數(shù)據(jù)采集單元采用RS 485總線技術(shù)巡檢各電能表，并連接LCD1602和DS1302顯示各電能表耗能數(shù)值和采集時(shí)間。本方案設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集器終端的下行通道采用RS 485總線與多臺(tái)電表連接，用于電表的數(shù)據(jù)采集和通斷電控制，上行通信采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳。

2．2 微控制器與無(wú)線射頻收發(fā)芯片的電路設(shè)計(jì)
    無(wú)線射頻收發(fā)芯片選用基于ZigBee／IEEE 802．15．4設(shè)計(jì)的低功耗2．4 GHz無(wú)線收發(fā)芯片AT86RF230。如圖3所示，ATmega1281通過(guò)4個(gè)SPI總線接口以及其他4條控制線與AT86RF230進(jìn)行通信，在AT86RF230上電容C1和C2用于去直流偏置，CB2和CB4為供電電源的去耦合電容，CB1和CB3為電壓調(diào)節(jié)器的負(fù)載電容，可以在低電壓時(shí)保證芯片工作穩(wěn)定，晶振XTAL與負(fù)載電容CX1和CX2構(gòu)成晶振電路。微控制器通過(guò)SPI接口編程控制寄存器，同時(shí)完成與AT86RF230的數(shù)據(jù)交換。

2．3 采集單元的RS 485接口電路設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)總線和微控制器的隔離，在微控制器的異步通信口與MAX485之間采用光耦隔離，如圖4所示，ATmega1281的PD2，PD3，PD5通過(guò)光耦隔離器分別對(duì)接收、輸入、控制信號(hào)起隔離作用。在輸出線路設(shè)計(jì)上，R15為傳輸線路上的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號(hào)的反射，在MAX485的485信號(hào)輸出端串聯(lián)了兩個(gè)20 Ω的電阻R10，R11以防止由于本機(jī)的故障而影響總線中其他分機(jī)的通信，在485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻R8，R9，使A端電位高于B端電位，這樣RXD的電平在RS 485總線不發(fā)送期間(總線懸浮時(shí))呈現(xiàn)惟一的高電平，這樣就可以避免在總線上所有發(fā)送器被禁止時(shí)，常常誤認(rèn)為通信幀的起始引起工作不正常。通過(guò)以上設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)微控制器通過(guò)RS 485總線對(duì)其管轄的各電能計(jì)量單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)和控制的目的。

3 數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)
3．1 數(shù)據(jù)采集單元的傳輸協(xié)議
    本設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)采集部分的RS 485網(wǎng)絡(luò)中采用多功能電能表通信規(guī)約(DL／T645-1997)作為電能表的遠(yuǎn)程控制通信協(xié)議，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中通信鏈路的建立和解除將由采集終端發(fā)出的信息幀來(lái)控制，通信字節(jié)格式如圖5所示，傳送方向由低到高位，一個(gè)起始位，一個(gè)停止位，一個(gè)偶校驗(yàn)位，八個(gè)數(shù)據(jù)位共11位。

    通信幀格式如圖6所示。
    其中，幀起始符68H：標(biāo)示一幀的開(kāi)始。地址域A0～A5：地址長(zhǎng)度可達(dá)12位十進(jìn)制數(shù)，當(dāng)從控制器接收到一幀數(shù)據(jù)時(shí)，地址域相同時(shí)應(yīng)響應(yīng)命令，取得總線控制權(quán)，當(dāng)響應(yīng)后應(yīng)把總線控制權(quán)歸還給主控制器。命令碼C：執(zhí)行相應(yīng)的操作。數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度L：L為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)不大于200，寫數(shù)據(jù)時(shí)不大于50。L=0表示無(wú)數(shù)據(jù)域。數(shù)據(jù)域DATA：發(fā)送時(shí)數(shù)據(jù)加33H，接收時(shí)數(shù)據(jù)減33H。校驗(yàn)碼CS：即各字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和，不計(jì)超過(guò)256的溢出值。結(jié)束符16H：標(biāo)識(shí)一幀信息的結(jié)束，其值為16H。
    數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)與若干個(gè)電能表組成一個(gè)485網(wǎng)絡(luò)，作為RS 485網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)，根據(jù)(DL／T645-1997)通信規(guī)約，其操作基本發(fā)送和接收流程圖如圖7，圖8所示，根據(jù)流程圖所示編寫程序，就可以實(shí)現(xiàn)RS 485網(wǎng)絡(luò)的主從機(jī)的正常通信，并完成數(shù)據(jù)采集終端對(duì)各電能表的數(shù)據(jù)采集功能。

3．2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
    作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集終端負(fù)責(zé)采集底端數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)到頂層集中器的功能，其傳輸單元采用。符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee協(xié)議，在IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)中定義了一套新的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，本設(shè)計(jì)采用的AT86RF230無(wú)線傳輸模塊根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)，按照其物理層和MAC層的幀格式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。
    ZigBee物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)又稱物理層數(shù)據(jù)包，其格式如圖9所示。由圖可見(jiàn)，PPDU是由物理層有效載荷、前面的附加同步包頭和物理層包頭組成。

    一個(gè)完整的MAC層幀有幀首部，幀載荷(即數(shù)據(jù))和幀尾三部分構(gòu)成，其中幀首部又有若干個(gè)域按一定順序排列，但并不是所有的幀中都包含全部的域。MAC層幀結(jié)構(gòu)如圖10所示。由圖可見(jiàn)，幀首部有幀控制域、序列號(hào)、地址域等，其中地址域又包含目的PAN標(biāo)識(shí)符、目的地址、源PAN標(biāo)識(shí)符和源地址等。

    在本方案中，幀發(fā)送和接收程序設(shè)計(jì)按照Z(yǔ)igBee協(xié)議棧的要求，其中程序中定義的發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體包含幀序列號(hào)、目的地址、源地址、網(wǎng)絡(luò)PAN標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)指針信息等信息，ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送和接收流程圖如圖11，圖12所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程電力數(shù)據(jù)采集器終端方案，在硬件上詳細(xì)分析了其各部分硬件設(shè)計(jì)和接口電路，實(shí)現(xiàn)了低功耗的目的，在軟件上分析各層通信的具體實(shí)現(xiàn)方案和關(guān)鍵技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性，本文創(chuàng)新點(diǎn)在于結(jié)合了RS 485總線技術(shù)，將ZigBee無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程電力抄表系統(tǒng)中，具體一定的實(shí)用價(jià)值。