采用智能電表的居民用戶無線自動抄表系統(tǒng)
1引言
傳統(tǒng)的手工抄表方式費時、費力且了遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)。居民用戶集中抄表系統(tǒng)在國內(nèi)已發(fā)展了十多年，但目前仍未大面積推廣應(yīng)用。主要原因有以下幾點：
(1)抄表集中器與抄表采集器間通信存在問題：①采用有線的RS-485總線或現(xiàn)場總線存在布線不方便、易受自然及人為因素影響且維護(hù)工作量大等缺點;②集中器與采集器間采用電力線載波通信方式，由于非線性負(fù)荷的大量使用，對電力線載波特別是擴(kuò)頻電力線載波信號產(chǎn)生負(fù)面影響，使其數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定;③集中器與采集器間采用傳統(tǒng)的430MHz無線通信方案，自己編制軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由及網(wǎng)絡(luò)組織的通信協(xié)議，其穩(wěn)定性與可靠性得不到保障。
(2)試運行暴露出的技術(shù)問題，特別是系統(tǒng)的抗干擾問題，因后期使用的運行維護(hù)跟不上無法及時反饋到研制單位，造成系統(tǒng)沒有及時改進(jìn)完善。
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信采用免申請的2.4GHz通信頻段，非路由情況下通信距離可達(dá)500m。其所采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有自動組織網(wǎng)絡(luò)、自動路由、網(wǎng)絡(luò)自愈等功能。可解決集中器與采集器間的通信問題。在設(shè)計時充分考慮硬件的電磁兼容問題、軟件的容錯能力，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計和生產(chǎn)，加強(qiáng)對試運行系統(tǒng)的跟蹤改進(jìn)，可大大提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)由主站及裝設(shè)在居民小區(qū)的單相智能電表、采集器、路由器和集中器構(gòu)成。主站與各集中器間的通信方式為GPRS。集中器與采集器間采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信，路由器在集中器與采集器間起數(shù)據(jù)路由作用。采集器與智能電表間采用RS-485總線通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)主站采用交換式以太網(wǎng)組網(wǎng)，可設(shè)置在小區(qū)物業(yè)管理處或電力公司大樓。主站由前置通信機(jī)、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、GPS衛(wèi)星對時系統(tǒng)及工作站等構(gòu)成。其中前置通信機(jī)申請配置固定IP地址，采用移動通信公司提供的2M光纖DDN專線，與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連。前置通信機(jī)與各集中器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。前置通信機(jī)接收集中器發(fā)送的電能量及相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)解析后轉(zhuǎn)存入數(shù)據(jù)服務(wù)器;也可發(fā)送命令到各集中器。前置通信機(jī)還實現(xiàn)對各集中器的遠(yuǎn)程維護(hù)。Web服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁發(fā)布，達(dá)到系統(tǒng)分析結(jié)果數(shù)據(jù)電力公司內(nèi)共享的目的。數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存放歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析和統(tǒng)計。數(shù)據(jù)服務(wù)器還實現(xiàn)對集中器，采集器及智能電能表、居民用戶等臺帳的完整準(zhǔn)確管理。工作站實現(xiàn)對主站系統(tǒng)及集中器和采集器的維護(hù)工作，也可有權(quán)限地查看、管理主站系統(tǒng)有關(guān)數(shù)據(jù)。GPS衛(wèi)星對時系統(tǒng)，實現(xiàn)各智能電表、采集器、集中器及主站系統(tǒng)時間的一致性和正確性，提供電能量數(shù)據(jù)同時性的保障。
3硬件
3.1采集器硬件
采集器通過RS-485總線最多掛接32臺單相智能電表。采集器實現(xiàn)的主要功能有：實現(xiàn)對智能電表的小時凍結(jié)、日凍結(jié)、月凍結(jié)和瞬時電量等數(shù)據(jù)的采集及存儲;記錄與各電表間的通信狀態(tài);記錄各種事件;對電表進(jìn)行對時;響應(yīng)集中器的數(shù)據(jù)要求及參數(shù)設(shè)置命令。采集器采用Microchip公司的16位單片機(jī)PIC24FJ64GA002為CPU，擴(kuò)展4M串行Flash數(shù)據(jù)存儲器。采集器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，CPU帶2個UART接口，1個經(jīng)RS-485接口芯片MAX1487并隔離后與智能電表通信，1個用于實現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信。CPU還外擴(kuò)了掉電檢測、紅外接口、時鐘等外圍電路。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)的方案有：內(nèi)置2.4GHz通信接口的CPU;CPU加外置2.4GHz通信接口芯片;CPU加外置2.4GHz通信接口模塊等3種。3種方案均可采用ZigBee Pro協(xié)議棧構(gòu)建Mesh網(wǎng)。前2種方案的無線通信硬件設(shè)計及通信協(xié)議棧移植等研發(fā)工作量大，需要具有高頻設(shè)計方面的經(jīng)驗，研發(fā)周期長。采用方案3，CPU通過UART接口與ZigBee模塊交換數(shù)據(jù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建、數(shù)據(jù)路由、網(wǎng)絡(luò)自愈等功能由帶有CPU的ZigBee模塊實現(xiàn)。
這樣采集器的軟件和硬件設(shè)計就較為簡單。選用Digi公司帶U.F.L天線的增強(qiáng)型無線通信模塊XBeePR0 ZB為2.4GHz無線通信接口，外接5dB全向天線。該模塊具有基于Mesh網(wǎng)的固件XB24-ZB，支持ZigBee Pro協(xié)議棧，體積小，功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，價格適中。XBee PR0 ZB模塊功耗為60mW(+18dBm)，傳輸距離可達(dá)500m。模塊通過UART接口與采集器CPU交換數(shù)據(jù)。設(shè)計用到模塊的數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)輸入、狀態(tài)指示以及電源引腳。
3.2集中器及路由器硬件
路由器僅由無線通信模塊及電源兩部分構(gòu)成?？紤]到通信距離問題，路由器及集中器的無線通信模塊均選用增強(qiáng)型無線通信模塊XBee Pro ZB模塊，U.F.L天線，外接5dB全向天線。集中器作為系統(tǒng)通信管理機(jī)，要求其具有多個通信接口，其設(shè)計方案有：內(nèi)置多串口的CPU;CPU加串口擴(kuò)展芯片;多串口CPU模塊等3種。前2種方案均需要根據(jù)應(yīng)用擴(kuò)展一定的存儲空間，另外，集中器要求實現(xiàn)的功能較多，基于操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計較方便且開發(fā)速度快，但對于前2種方案，均要做操作系統(tǒng)移植及底層驅(qū)動軟件開發(fā)等工作，需耗費時間且短期內(nèi)難以做到穩(wěn)定可靠。綜合考慮開發(fā)周期、可靠性、成本等因素，采用最后1種方案，選用Rabbit公司工業(yè)級RCM6700模塊。該模塊主要硬件資源有：6個高速UART接口，1個以太網(wǎng)口，1個USB口，1M并行程序flash，2M串行數(shù)據(jù)flash，640k快速SRAM，32個數(shù)字I/0口線，看門狗，時鐘等。
集中器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。RCM6700模塊通過USB口擴(kuò)展大容量存儲器用于存儲各智能電表的電量數(shù)據(jù)。RCM6700模塊3個UART通過MAX1487芯片及PC817芯片提供3路隔離RS485通信接口，1路用于同三相智能總表通信，2路預(yù)留。模塊另外3個UART，1個與XBee PR0 ZB模塊通信，1個作為調(diào)試及程序下載口，1個與中興ME3000 GPRS模塊通信[10]。RCM6700模塊的以太網(wǎng)接口預(yù)留。集中器還擴(kuò)展了3路隔離開關(guān)量輸入及2路隔離開關(guān)量輸出。其中開關(guān)量輸入用于檢測計量箱門狀態(tài)。
4軟件
4.1地址編碼
單相智能電表地址采用6個字節(jié)4位二進(jìn)制碼BCD(Binary-Coded Decimal)表示。直接采用其出廠編號，采集器地址采用8個字節(jié)BCD碼表示，直接采用XBee PR0 ZB模塊出廠的唯一ID號，不可更改。集中器的地址編碼按照《Q/GDW 376.1-2009電力用戶用電信息采集器系統(tǒng)通信協(xié)議——主站與采集終端通信協(xié)議》(以下簡稱Q/GDW 376.1-2009)地址域的要求確定。集中器存儲其包含的采集器的地址;采集器存儲其包含的單相智能電表的地址;主站計算機(jī)系統(tǒng)存儲集中器、采集器及單相智能電表的地址，且與居民用戶信息建立對應(yīng)關(guān)系。
4.2通信協(xié)議
采集器與單相智能電表間通信協(xié)議采用DL/T645-2007。采集器與集中器，現(xiàn)場手持設(shè)備與采集器間的通信幀格式設(shè)計為：幀起始字符(68H)+功能碼(FUN)+數(shù)據(jù)域長度(L)+數(shù)據(jù)域(DATA)+CRC校驗+結(jié)束符(16H)。XBee PR0 ZB通信模塊提供AT指令及應(yīng)用編程接口API(ApplicationProgramming Interface)等2種通信方式。API方式可指定任意通信目標(biāo)節(jié)點，具有校驗域，且本身具有數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制，可保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)節(jié)點，故采用API通信方式。現(xiàn)場手持設(shè)備與集中器，集中器與主站軟件間通信遵循國標(biāo)Q/GDW 376.1-2009。
4.3通信軟件
(1)采集器與集中器間通信軟件
采集器與集中器間數(shù)據(jù)傳輸需路由，通信采用ZigBee Pro無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)議在IEEE802.15.4基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層以支持網(wǎng)絡(luò)路由功能，該協(xié)議具有抗干擾能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、網(wǎng)絡(luò)的自組織自愈能力強(qiáng)等特點，網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備3種通信節(jié)點組成。協(xié)調(diào)器選擇一個PANID和信道啟動一個網(wǎng)絡(luò)后也可充當(dāng)路由器。協(xié)調(diào)器和路由器允許其他通信節(jié)點加入這個網(wǎng)絡(luò)，能夠路由數(shù)據(jù);終端設(shè)備不能路由數(shù)據(jù)，在不收發(fā)數(shù)據(jù)時可以休眠。當(dāng)通信節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，加入的通信節(jié)點為子節(jié)點，允許子節(jié)點加入的通信節(jié)點為父節(jié)點，1個父節(jié)點最多有8個子節(jié)點。ZigBee聯(lián)盟推出了ZigBee 1.0、ZigBee 2006及ZigBee Pro等3個版本的協(xié)議棧，與另外2個協(xié)議棧相比，ZigBee Pro在隨機(jī)地址分配、網(wǎng)絡(luò)路由、組播、網(wǎng)絡(luò)安全等方面作了改進(jìn)。
通過Digi公司提供的XBee PR0 ZB模塊配置軟件將采集器的XBee PR0 ZB模塊設(shè)置為路由器，集中器的XBee PR0 ZB模塊設(shè)置為協(xié)調(diào)器，系統(tǒng)中沒有終端設(shè)備。同時利用模塊配置軟件軟件對XBeePR0 ZB模塊的通信模式及其他相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，采集器的CPU將數(shù)據(jù)通過UART發(fā)給參數(shù)已正確配置的XBee PR0 ZB模塊，XBee PR0 ZB模塊自動按照ZigBee Pro協(xié)議建立路由連接，尋找路徑，將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地址。參數(shù)設(shè)置內(nèi)容包括：網(wǎng)絡(luò)、地址、射頻RF(Radio Freqency)接口、網(wǎng)絡(luò)安全、串行接口、休眠方式、I/O設(shè)置、診斷命令等。下面介紹系統(tǒng)用到的主要參數(shù)設(shè)置。
1)掃描信道。網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)創(chuàng)建，在組建網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器要進(jìn)行通道的能量掃描，找出不同通道的RF活動水平，以避免協(xié)調(diào)器在高能量通道區(qū)組網(wǎng)。同樣，路由器和終端設(shè)備在加入網(wǎng)絡(luò)時，也要進(jìn)行同樣的通道掃描。
2)掃描PAN ID。路由器或終端節(jié)點在加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)前要進(jìn)行PAN掃描，將加入任何檢測到的網(wǎng)絡(luò)，并繼承該網(wǎng)絡(luò)的PAN ID。一般需設(shè)置節(jié)點的64位PAN ID，16位PAN ID在其加入網(wǎng)絡(luò)時自動獲得。
3)目標(biāo)地址。當(dāng)采集器加入網(wǎng)絡(luò)時，使用64位地址進(jìn)行通信。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)會為采集器分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址。這樣采集器便可使用該地址與網(wǎng)絡(luò)中的其它采集器或集中器進(jìn)行通信。
4)串口通信參數(shù)。包括：波特率、校驗方式、流控制等。
5)數(shù)據(jù)傳輸模式。與AT模式相比API模式具有易于管理一個到多個目標(biāo)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，接收到的數(shù)據(jù)幀可以指示發(fā)送設(shè)備地址，支持高級ZigBee地址，高級網(wǎng)絡(luò)故障診斷和遠(yuǎn)程參數(shù)配置等特點。采集器與集中器之間需進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸方式采用API模式。
6)數(shù)據(jù)路由。ZigBee Pro協(xié)議棧包含3種不同的數(shù)據(jù)路由方法：基于距離矢量的按需AODV(ADhoc On-demand Distance Vector)網(wǎng)狀路由，多對一路由，源節(jié)點路由。其中多對一路由和源節(jié)點路由是ZigBee Pro協(xié)議棧新增加的數(shù)據(jù)路由方法。當(dāng)多個采集器有事件發(fā)生且需要發(fā)送數(shù)據(jù)到集中器。若采用AODV網(wǎng)狀路由則需要大的網(wǎng)絡(luò)通信開銷，網(wǎng)絡(luò)中的每個采集器在發(fā)送數(shù)據(jù)到集中器前都要進(jìn)行路由路徑的探尋，網(wǎng)絡(luò)將會因路由探尋廣播而性能降低或癱瘓。因此，采集器間與集中器間通信采用ZigBee Pro協(xié)議棧所提供的多對一路由。從集中器發(fā)出單一的多對一廣播傳輸在所有采集器上建立反向路徑，而不要求各個采集器進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。
7)網(wǎng)絡(luò)安全。ZigBee Pro網(wǎng)絡(luò)采用2個安全鑰匙、1個信任中心及128位AES加密等保證數(shù)據(jù)通信的安全。設(shè)置協(xié)調(diào)器為信任中心，使能安全功能，預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)安全鑰匙和應(yīng)用鏈接鑰匙，則協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)路由器或終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的驗證。路由器或終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)前其應(yīng)用鑰匙要設(shè)置與協(xié)調(diào)器一致。新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時將收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的由應(yīng)用鏈接鑰匙加密的網(wǎng)絡(luò)安全鑰匙，解密后可獲得網(wǎng)絡(luò)安全鑰匙。具有相同安全鑰匙的兩個節(jié)點才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)通過對網(wǎng)絡(luò)安全鑰匙、幀計數(shù)器、是否允許新節(jié)點加入等的管理來提高網(wǎng)絡(luò)通信的安全性。
(2)集中器與主站間通信軟件
集中器軟件采用Dynamic C設(shè)計，Dynamic C是一個專門為Z-World產(chǎn)品創(chuàng)建的集成C編譯器、編輯器、鏈接器、裝載器和調(diào)試器。Dynamic C中包含標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)庫，特定板外圍驅(qū)動，芯片外圍設(shè)備和相關(guān)功能的源代碼，語言上擴(kuò)展多任務(wù)，支持匯編代碼與C代碼混用，易于在嵌入式系統(tǒng)上進(jìn)行實時編程，可有效縮短開發(fā)周期。
集中器完成的功能包括：①采集各電能表的實時電能示值、日零點凍結(jié)電能示值、抄表日零點凍結(jié)電能示值;②按要求對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲，如日數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)、抄表日數(shù)據(jù)、凍結(jié)曲線等。曲線凍結(jié)數(shù)據(jù)密度由主站設(shè)置，最小凍結(jié)密度為1h;③分類存儲下列數(shù)據(jù)：每個客戶電能表至少31個日零點凍結(jié)電能數(shù)據(jù)，12個月末凍結(jié)電能數(shù)據(jù);20個重點用戶10天的24點實時電能數(shù)據(jù);④具有重點用戶管理功能?？梢赃x定某些用戶為重點用戶，對其電能表進(jìn)行重點管理;⑤具有參數(shù)設(shè)置和查詢功能，事件處理和告警功能?；?mu;C/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)設(shè)計集中器軟件，該操作系統(tǒng)支持多任務(wù)，適合集中器復(fù)雜軟件設(shè)計的要求。基于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計需進(jìn)行任務(wù)劃分及任務(wù)優(yōu)先級分配。按集中器實現(xiàn)的功能劃分任務(wù)：與采集器通信任務(wù)，與主站計算機(jī)通信任務(wù)，與手持設(shè)備通信任務(wù)，電量數(shù)據(jù)處理分析任務(wù)，運行狀態(tài)信號燈指示任務(wù)等。依據(jù)任務(wù)實時性要求為各任務(wù)分配優(yōu)先級，優(yōu)先級范圍為1-64，數(shù)字越小，表示優(yōu)先級越高，其中64被μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)的空閑任務(wù)占用，實際可用優(yōu)先級范圍為1-63。此外還需按照各個任務(wù)所處理數(shù)據(jù)量的大小，給每個任務(wù)分配大小合適的棧空間。任務(wù)間相對獨立，通過全局變量、信號量等機(jī)制通信，各個任務(wù)分別編寫，可提高軟件開發(fā)效率且有助于軟件的升級維護(hù)。下面主要介紹集中器與主站計算機(jī)通信任務(wù)實現(xiàn)的關(guān)鍵。
集中器與主站距離遠(yuǎn)，采用基于TCP/IP協(xié)議的GPRS通信網(wǎng)絡(luò)。ME3000模塊內(nèi)部已集成TCP/IP協(xié)議，CPU只需用GPRS AT指令與ME3000交換信息，進(jìn)而實現(xiàn)與主站的數(shù)據(jù)通信。GPRS AT指令是CPU通過UART口與GPRS模塊通信的命令集，該命令集封裝了GPRS模塊提供的全部功能，包括普通指令、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)指令、控制與報告指令、消息服務(wù)指令、GPRS指令、TCP/IP指令、短消息指令等。集中器對GPRS模塊的主要操作是建立TCP連接、數(shù)據(jù)收發(fā)、上/下電控制、復(fù)位等。用到的GPRSAT指令不多，但為了保證GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，還要使用一些報告指令實現(xiàn)對模塊狀態(tài)的監(jiān)測，如信號強(qiáng)度查詢、SIM卡狀態(tài)查詢、網(wǎng)絡(luò)注冊查詢等，這些參數(shù)是集中器操作GPRS的依據(jù)，也是保證集中器的GPRS網(wǎng)絡(luò)可靠通信的關(guān)鍵。如ME3000模塊的信號強(qiáng)度檢測指令，其格式為AT+CSQ
5結(jié)論
采集器利用RS-485總線采集智能電表的電量數(shù)據(jù)，然后通過ZigBee Pro無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)路由到集中器后經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到主站，構(gòu)成居民用戶3層無線自動抄表系統(tǒng)。詳細(xì)分析了各層通信的具體實現(xiàn)方法及關(guān)鍵技術(shù)。考慮事件發(fā)生時存在多個采集器同時向集中器發(fā)送數(shù)據(jù)的特殊路由需求及網(wǎng)絡(luò)通信安全，采集器與集中器間的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用具有多對一路由及高級網(wǎng)絡(luò)安全性能的ZigBee Pro協(xié)議。
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