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)無線技術(shù)發(fā)展，提出一種基于無線傳感器網(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)通過無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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過網(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 微控制器與無線射頻收發(fā)芯片的電路設(shè)計(jì)
無線射頻收發(fā)芯片選用基于ZigBee／IEEE 802．15．4設(shè)計(jì)的低功耗2．4 GHz無線收發(fā)芯片AT86RF230。如圖3所示，ATmega1281通過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SPI接口編程控制寄存器，同時(shí)完成與AT86RF230的數(shù)據(jù)交換。