基于ZigBee技術(shù)的無線抄電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1)———基于ZigBee技術(shù)的無線抄電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1)

引言

　　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(jìn)更深層次的分析和管理也是不夠?，F(xiàn)實(shí)的需求催生著抄電表系統(tǒng)技術(shù)和應(yīng)用不斷產(chǎn)生。目前智能卡電表和有線自動(dòng)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(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的ZigBee技術(shù)。系統(tǒng)最佳的方案應(yīng)當(dāng)是前期投入的成本低，運(yùn)行成本非常低甚至沒有。由此本文提出一種基于 ZigBee技術(shù)抄電表方案。

1 ZigBee 技術(shù)特點(diǎn)[2]

　　(1)低功耗：ZigBee技術(shù)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(dá)6個(gè)月到2年。

　　(2)可靠性高：ZigBee采用了CSMA－CA的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突；MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。

　　(3)節(jié)點(diǎn)通信設(shè)置易于配置。

　　(4)成本低：ZigBee模塊價(jià)格較低，且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)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(fèi)的無線通信。

　　(5)網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee可以采用星型、網(wǎng)狀、串狀結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，而且可以通過任一節(jié)點(diǎn)連接組成更大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以連接的節(jié)點(diǎn)多達(dá)6500個(gè)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納 254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

　　(6)數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用 AES-128同時(shí)各個(gè)

　　應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)。

　　(3) 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。

　　(4) 在休眠模式時(shí)僅 0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng) ;在待機(jī)模式時(shí)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(shù)字化的 RSSI/LQI支持和強(qiáng)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(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC。

　　(10) 集成 AES安全協(xié)處理器。

　　(11) 帶有 2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及 1個(gè)符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和 2個(gè)8位計(jì)時(shí)器。

　　(12) 強(qiáng)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(qiáng)性能的 8051MCU、8KBRAM等，其增強(qiáng)的 8051MCU核的性能是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 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(nèi)核對數(shù)據(jù)搬移，因此提高了芯片整體的性能）、可編程看門狗定時(shí)器、 AES-128安全協(xié)處理器、多達(dá) 8輸入的 8-14位ADC、USART、睡眠模式定時(shí)、上電復(fù)位、掉電檢測電路(Brown Out Detection)、21個(gè)可編程I/O管腳等，兩個(gè)可編程的 USART用于主 /從 SPI或 UART操作。帶外部功放的 CC2430參考設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(shù)的無線抄電表系統(tǒng)

　　3.1設(shè)計(jì)的總體方案基于 ZigBee技術(shù)的無線抄電表系統(tǒng)如圖 2所示。

　　各部分的主要功能如下：

　?。?）數(shù)據(jù)庫和控制中心 : 具有建立、管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功能，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控；可設(shè)置定期和隨機(jī)向 DCT發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，接受數(shù)據(jù)，并存儲數(shù)據(jù)；對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。

　?。?） 工作站: 起數(shù)據(jù)上傳下送的中繼作用，負(fù)責(zé)啟動(dòng)、配置、協(xié)調(diào)整個(gè)Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，可將控制中心發(fā)出的命令發(fā)給DCT，接受DCT返回的數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)線并采用TCP/IP協(xié)議，把收集到的數(shù)據(jù)送至控制中心，具有存儲轉(zhuǎn)發(fā)的功能；每個(gè)工作站可以暫存下屬 DCT的數(shù)據(jù)；可以查看用電記錄、 DCT和電表狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

　?。?） 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(shù)據(jù)的功能，接受工作站發(fā)送的指令并按指令去完成的動(dòng)作。