基于ZigBee的電能無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

隨著無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是智能電網(wǎng)國(guó)家戰(zhàn)略的推進(jìn)，基于無線傳輸?shù)淖詣?dòng)抄表方式已逐步成為電能抄表的主要發(fā)展趨勢(shì)。目前，無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)有基于 GSM、GPRS和紅外線、藍(lán)牙、ZigBee 技術(shù)等無線通訊手段， 建立在IEEE802.15.4無線通信標(biāo)準(zhǔn)上的ZigBee技術(shù)，使用國(guó)際通用免費(fèi)頻段，具有自組織網(wǎng)、開發(fā)使用簡(jiǎn)單、功耗成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高等特點(diǎn)[1]。本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式技術(shù)、ZigBee技術(shù)和 GPRS技術(shù)的電能無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)， 并采用低成本低功耗的ZigBee芯片CC2530完成抄表功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

電能無線抄表系統(tǒng)主要由采集終端（智能電表）、ZigBee 采集器、數(shù)據(jù)集中器、集抄中心、無線通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成。智能電表實(shí)時(shí)采集電能數(shù)據(jù)，通過ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)定期將數(shù)據(jù)上傳到ZigBee 采集器，再次通過 ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)集中器，然后通過GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端集抄中心，實(shí)現(xiàn)電能遠(yuǎn)程無線集中抄送。其中， ZigBee 采集器按照系統(tǒng)要求定期采集智能電表中的電能數(shù)據(jù)， 并通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將電能數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)集中器。當(dāng)各智能電表分布距離較遠(yuǎn)時(shí)，ZigBee 采集器相當(dāng)于路由器，智能電表即作為路由器設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中起路由和允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的功能[2]。數(shù)據(jù)集中器相當(dāng)于協(xié)調(diào)器，通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)匯總處理所有電能數(shù)據(jù)信息，并負(fù)責(zé)啟動(dòng)和配置整個(gè)網(wǎng)絡(luò)?；赯igBee 的電能無線抄表系統(tǒng)方案如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 智能電表硬件電路組成

本系統(tǒng)智能電表主要由CC2530 主控芯片、RN8209 電能計(jì)量芯片、電源電路、電流 / 電壓采樣電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、LCD 顯示電路、功能按鍵電路、通信接口電路等部分組成。RN8209 實(shí)時(shí)采樣電能數(shù)據(jù)，通過 SPI 串口與CC2530 主控芯片進(jìn)行通信，完成電能的計(jì)量。CC2530 主控芯片協(xié)調(diào)控制各功能電路，實(shí)現(xiàn)智能電能表電能計(jì)量、信息存儲(chǔ)及處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。

為提高電能表的計(jì)量精度，本設(shè)計(jì)對(duì)分流器電流采樣電路進(jìn)行改進(jìn)研究，具體的改進(jìn)電路如圖 3 所示。在低通濾波器前加裝一個(gè)4 通道雙向模擬開關(guān)芯片。K1、K3 的控制端相連， 接收MCU 的一個(gè)I/O 口控制信號(hào)以控制通斷；K2、K4 的控制端相連，接收MCU 的另一個(gè)I/O 口控制信號(hào)以控制通斷。

(1) 當(dāng)電流小于 Ith 時(shí)，MCU 控制K2和 K4的I/O輸出低電平，K2和K4處于斷開狀態(tài)，電流采集與原電路相近。

(2) 當(dāng)電流大于 Ith時(shí)，MCU 控制K2和 K4的I/O輸出高電平，K2和K4 處于閉合狀態(tài)。

采集單元差分放大器采集的電壓為 R1 和 R2 的輸入端電壓，即 K2 和K4 兩端的電壓，由于K1、K2、K3 和K4 的導(dǎo)通電阻相等，而且溫度改變時(shí)也保持相等，因此無論何種溫度情況下取樣電壓確保為分流器采集電壓的 0.5 倍，MCU 只要知道此時(shí)采集電壓為 0.5 倍并進(jìn)行相應(yīng)放大處理即可。

2.2 數(shù)據(jù)集中器電路設(shè)計(jì)

為了和終端節(jié)點(diǎn)相匹配， 本系統(tǒng)集中器的設(shè)計(jì)同樣選用TI 公司的 CC2530 主控芯片， 為擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍， 在CC2530 主控芯片的基礎(chǔ)上外加射頻前端芯片CC2591[3]。

2.3 GPRS傳輸模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用傳輸距離遠(yuǎn)、環(huán)境適應(yīng)性好、實(shí)時(shí)在線的GPRS 作為通信網(wǎng)絡(luò)，選擇WG-8010-232 GPRS DTU 模塊為其相應(yīng)的硬件模塊，將現(xiàn)場(chǎng)采集到的電量信息發(fā)送至服務(wù)器端。DTU 端與服務(wù)器端的通信過程和其間的協(xié)議轉(zhuǎn)換過程如圖 4 所示。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 智能電表的軟件設(shè)計(jì)

智能電表的軟件設(shè)計(jì)主要包括智能電表的初始化、電表 數(shù)據(jù)的采樣與計(jì)量、電表數(shù)據(jù)的顯示、電表的數(shù)據(jù)傳輸。具 體主程序設(shè)計(jì)流程如圖 5 所示。

3.2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)主要包括 ZigBee 采集器軟件 設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)集中器軟件設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)集中器作為 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的 中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)組建 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送同步信息、接收 ZigBee 采集器的數(shù)據(jù)并通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)上傳至集抄中心 [4]。

數(shù)據(jù)集中器軟件設(shè)計(jì)流程如圖 6 所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

按照系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，本文選配了智能電表、ZigBee 模塊、個(gè)人計(jì)算機(jī)等主要功能模塊，搭建了系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺(tái)， 具體硬件開發(fā)平臺(tái)見圖 7 所示。運(yùn)用Delphi 語言開發(fā)了電能監(jiān)測(cè)管理軟件，具體界面如圖 8 所示。系統(tǒng)重點(diǎn)對(duì) Zigbee 集中器抄表網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表 1 所列。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于 ZigBee 技術(shù)的電能無線抄表系統(tǒng)，以 嵌入主控芯片 CC2530 的無線智能電表為終端，充分利用了ZigBee 技術(shù)與 GPRS 無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電能遠(yuǎn)程無線自 動(dòng)抄表，為居民小區(qū)、學(xué)生公寓等區(qū)域的電能無線抄表提供了 一種可行、適用、成本相對(duì)較低的解決方案。