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

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，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；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。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納 254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個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同時各個
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個強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及 1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計(jì)時器，1個常規(guī)的16位計(jì)時器和 2個8位計(jì)時器。
(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、上電復(fù)位、掉電檢測電路(Brown Out Detection)、21個可編程I/O管腳等，兩個可編程的 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：
（1）數(shù)據(jù)庫和控制中心 : 具有建立、管理整個網(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。
（2） 工作站: 起數(shù)據(jù)上傳下送的中繼作用，負(fù)責(zé)啟動、配置、協(xié)調(diào)整個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)。
（3） 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作。
3.2 系統(tǒng)功能介紹：
1. DCT采集功能：
(1) DCT電源部分：采用兩節(jié)五號電池，一次更換可以維持半年至兩年。
(2) DCT數(shù)據(jù)表存儲器：這部分要有一定的空間存放數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)量較少時，可以利用芯片的Flash存放，如果數(shù)據(jù)量較大，可以留個備用接口，可對容量進(jìn)行擴(kuò)展。
(3) DCT計(jì)時系統(tǒng)：
a．主要提供時鐘進(jìn)行等間隔取樣和啟動預(yù)設(shè)任務(wù)和程序。
b．可以通過遙控指令進(jìn)行校正。
(4) DCT脈沖采集接口：與電能表相連的DCT應(yīng)設(shè)一個緩沖界面，通過這個界面，可以切換到不同型號電能表，使可對多種電能表進(jìn)行脈沖采集，轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)度數(shù)。
(5) 采集方式:可以定期采集，也可以在接到控制中心命令后進(jìn)行隨機(jī)采集，與電能表連接的 DCT可以隨機(jī)采集脈沖。
(6) 外設(shè)接口:可以讓相關(guān)人員直接用手提電腦連接控制器，進(jìn)行檢測和排除故障等功能。
2. 無線發(fā)送、接收功能：工作站每隔一段時間后定期實(shí)現(xiàn)對其范圍內(nèi)的采集點(diǎn)進(jìn)行信息的傳遞和匯集。
(1)各個 DCT可看作節(jié)點(diǎn)，通過無線Zigbee逐次節(jié)點(diǎn)來傳輸信息;每個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常，都可以通過外設(shè)接口進(jìn)行處理?？紤]到住區(qū)范圍可能大于ZigBee無線通信的距離，所以對于規(guī)模較大的區(qū)域，設(shè)置多個 DCT，把數(shù)據(jù)往上一級傳送，然后送到工作站，最后到達(dá)控制中心。
(2)發(fā)送：第一個節(jié)點(diǎn)指向第二個節(jié)點(diǎn)，當(dāng)?shù)诙€節(jié)點(diǎn)狀態(tài)無效時，第一個節(jié)點(diǎn)指向第三個節(jié)點(diǎn)，以此類推；即對同伴 ID寄存器的 ID呼叫，如果A沒有回答，呼叫 B；B也沒有回答，呼叫 C；如果沒有回答，要把狀態(tài)寫到狀態(tài)寄存器。

(3) 第一個節(jié)點(diǎn)呼叫第二個節(jié)點(diǎn)，發(fā)送呼叫信號判斷第二個 DCT狀態(tài)是否有效：
a.有效：發(fā)送呼叫第一個節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號。
b.無效：發(fā)送失敗應(yīng)答信號、并傳輸?shù)诙€節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和第三個節(jié)點(diǎn) ID給第三節(jié)點(diǎn)。
(4) 接收應(yīng)答信號：
a.傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號：向第二節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。
b.失敗的應(yīng)答信號：當(dāng)超過預(yù)定時間沒有收到應(yīng)答，重發(fā)；重發(fā)超過 5次，就判定失敗，存儲第二個節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，向第三節(jié)點(diǎn)發(fā)送呼叫信號。
(5) 接收數(shù)據(jù)：
a.誤差檢測。
b.出錯處理。
(6) 傳輸數(shù)據(jù)完畢，指示該 DCT清空。
3．節(jié)點(diǎn)功能：
(1) 采集以及存儲：通過計(jì)時器以及脈沖輸入計(jì)數(shù)器記錄在單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)足夠的儲存空間儲存未上交的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送并得到確認(rèn)后，自動清空儲存空間，繼續(xù)記時。

(2) 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送：為了不引起數(shù)據(jù)傳輸時的數(shù)據(jù)沖突，每個節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的固定的發(fā)送時間。發(fā)送數(shù)據(jù)包括以下內(nèi)容：發(fā)送源ID，數(shù)據(jù)類型，目標(biāo)ID，數(shù)據(jù)/控制字段，校驗(yàn)字段。具有發(fā)送列表，規(guī)定出固定可能的轉(zhuǎn)發(fā)對象。使用三次握手保證數(shù)據(jù)的正確傳送。

(3) 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接受:節(jié)點(diǎn)擁有接受工作站命令以及中轉(zhuǎn)其他節(jié)點(diǎn)信息功能，設(shè)計(jì)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)以及轉(zhuǎn)發(fā)表，規(guī)定具體數(shù)據(jù)接受，轉(zhuǎn)發(fā)以及拋棄。遇到堵塞節(jié)點(diǎn)上交異常消息。

(4) 與工作站相連的收發(fā)節(jié)點(diǎn)能定時發(fā)送檢測信號，觀察各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀況，并上交具體故障點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)與工作站以串口方式連接。
4. 網(wǎng)絡(luò)傳輸功能：控制中心能對內(nèi)部局域網(wǎng)的所有工作站匯集信息進(jìn)行 TCP/IP傳輸、存儲。
(1)各個工作站通過局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)至控制中心：
a. 建立 NFS(網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng))；
b. 建立主機(jī)(控制中心)、客戶端(工作站)應(yīng)用程序。
(2)控制中心建立數(shù)據(jù)庫，存儲所有工作站的信息。
5. 控制中心數(shù)據(jù)庫查詢功能：
(1) 查詢管理：按 ID查詢、出錯狀態(tài)查詢，對數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)能進(jìn)行動態(tài)預(yù)覽。
(2) 統(tǒng)計(jì)功能：按照具體的條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對統(tǒng)計(jì)結(jié)果能進(jìn)行動態(tài)預(yù)覽。
(3) 控制中心通過數(shù)據(jù)庫可查詢所有數(shù)據(jù)源的ID、狀態(tài)和數(shù)值。
(4) 員工管理：員工信息添加、修改、刪除、權(quán)限設(shè)置等。
(5) 權(quán)限管理：
a.最高權(quán)限：對數(shù)據(jù)庫有全權(quán)控制，該權(quán)限無法通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入，須在控制中心才能行使該職能。
b.一般權(quán)限：需驗(yàn)證登錄，用戶可通過瀏覽器進(jìn)入控制中心瀏覽數(shù)據(jù)庫相關(guān)記錄，但不能修改。
6. 數(shù)據(jù)源狀態(tài)監(jiān)測：通過 4字節(jié)(32位)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)的定義。

4.結(jié)束語
本文介紹了一種基于 ZigBee技術(shù)的無線抄電表系統(tǒng),該系統(tǒng)采用的ZigBee技術(shù)具有協(xié)議簡單,成本低,傳輸可靠,數(shù)據(jù)安全性高，雙向無線通信技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)。不過CC2430可能由于功率的限制，傳輸距離還有待提高。個人水平經(jīng)驗(yàn)所限，還有許多可以進(jìn)一步完善地方，特別是網(wǎng)絡(luò)接口部分。
本文的創(chuàng)新點(diǎn):實(shí)現(xiàn)一個能完成基本無線網(wǎng)絡(luò)通信的系統(tǒng) ,；實(shí)現(xiàn)單片機(jī)通過RS232接口與微機(jī)的通信，使整個無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可以傳送到微機(jī)上，并通過TCP/IP協(xié)議送到數(shù)據(jù)中心；而且該系統(tǒng)前期投入少，日常維護(hù)成本很低,它適合于遠(yuǎn)程無線抄電表系統(tǒng)。