基于ZigBee技術的無線抄表系統(tǒng)設計

摘  要：本文提出了一種基于ZigBee技術的無線抄表系統(tǒng)的設計方案。該方案借助ZigBee技術在低速率無線通信方面的優(yōu)勢，利用Chipcon公司的射頻芯片CC2420，實現(xiàn)采集的電能數(shù)據(jù)的無線收發(fā)通信。
關鍵詞：ZigBee；CC2420；ADE7753；電能計量

引言
與采用有線網(wǎng)絡通信的樓控產(chǎn)品相比，無線解決方案的優(yōu)勢在于安裝布置的靈活性、低廉的安裝費用和對樓宇自動化系統(tǒng)進行重新布置的可移動性。ZigBee技術產(chǎn)品以其低功耗、低成本以及優(yōu)秀的組網(wǎng)能力，被廣泛認為將在未來幾年中對樓宇自動化和工業(yè)產(chǎn)生重大的影響。本文研究的遠程抄表系統(tǒng)就基于ZigBee技術實現(xiàn)了無線自動抄表功能。
　　
系統(tǒng)硬件結構
無線抄表系統(tǒng)是由多個ZigBee節(jié)點所構成的網(wǎng)絡。ZigBee技術支持3種網(wǎng)絡拓撲結構，即星形(Star)、網(wǎng)狀(Mesh)和樹形分簇(Cluster Tree)。星型結構由一個協(xié)調器節(jié)點(主設備)和一個或多個終端設備(從設備)組成。協(xié)調器是一種特殊的全功能設備(Full Function Device，F(xiàn)FD)。FFD是具有轉發(fā)與路由能力的節(jié)點。終端設備可以是FFD或簡化功能設備(Reduced Function Device，RFD)。RFD 是最小且最簡單的ZigBee 節(jié)點，只發(fā)送與接收信號，并不起轉發(fā)器、路由器的作用。如果某個終端設備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個終端設備，它會把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器，然后由協(xié)調器依次將數(shù)據(jù)轉發(fā)到目標終端設備。
本文設計的ZigBee節(jié)點是星型結構中最簡單的雙節(jié)點網(wǎng)絡，即由一個協(xié)調器節(jié)點和一個RFD節(jié)點組成。其中，ZigBee每個節(jié)點的硬件均由兩部分構成：電能測量與處理部分和無線接收/發(fā)送部分。而硬件具體實現(xiàn)的功能則由燒寫入單片機的程序來決定。無線抄表系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。

圖1 無線抄表系統(tǒng)硬件結構框圖

電能測量與處理模塊的
工作原理
電能數(shù)據(jù)采集模塊的核心是美國ADI公司的一款高精度單相有功電能計量芯片ADE7753。該芯片集成了數(shù)字積分、參考電壓源和溫度傳感器。它提供了一個和有功能量成比例的脈沖輸出(CF)和數(shù)字系統(tǒng)校準誤差電路(通道偏置校準、相位校準及能量校準)。該芯片適用于單相電路中有功功率、無功功率和視在功率的測量。
ADE7753有電流和電壓兩個通道，共兩路模擬量輸入，分別是電流通道V1P、V1N和電壓通道V2P、V2N。電壓信號經(jīng)可編程放大器(PGA)放大和模數(shù)轉換器進行A/D轉換變?yōu)閿?shù)字信號，然后，電流信號經(jīng)電流通道內的高通濾波器HPF濾除DC分量并數(shù)字積分后，與經(jīng)相位校正后的電壓信號相乘，產(chǎn)生瞬時功率；此信號經(jīng)低通濾波LPF2產(chǎn)生瞬時有功功率信號。利用功率偏差校準寄存器的值對有功功率進行校準，放入采樣波形數(shù)據(jù)寄存器中，然后對采樣波形數(shù)據(jù)寄存器的值進行累加，將功率累加值(電能值)存放在電能寄存器中，經(jīng)DOUT引腳輸出。
電流和電壓采集電路把交流電變?yōu)榭晒〢DE7753輸入的電壓。在電流通道中，通過di/dt微分電流傳感器實現(xiàn)電流/電壓變換。di/dt微分電流傳感器基于Rogowski線圈原理。Rogowski線圈由環(huán)繞一根長直導線排列、匝數(shù)為N的矩形空芯線圈組成。
無線收發(fā)模塊的工作原理
無線收發(fā)模塊主要由CC2420芯片和2.4GHz射頻天線以及相應的阻抗匹配電路組成。芯片外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和單片機接口電路三個部分。本設計采用16MHz無源晶振，其負載電容值約為22pF。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的射頻輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50Ω,同時為芯片內部的功率放大器和低噪聲放大器提供直流偏置。CC2420通過４線SPI口(SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式，并實現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)和讀/寫狀態(tài)寄存器。
從天線接收到的射頻信號首先經(jīng)過低噪聲放大器和正交下變頻到２MHz的中頻信號，此混合I/Q信號經(jīng)過濾波、放大，再通過ADC轉變成數(shù)字信號。后經(jīng)自動增益控制、數(shù)字解調和解擴，最終恢復出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。發(fā)射機部分采用直接上變頻。待發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動產(chǎn)生的。根據(jù)IEEE802.15.4標準，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個比特被32碼片的擴頻序列擴頻后送到DAC。然后,經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后被調制到2.4GHz,并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。

系統(tǒng)軟件設計
Microchip的ZigBee協(xié)議棧
完整的ZigBee協(xié)議棧自上而下由應用層、應用匯聚層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。本硬件設計選擇的是Microchip公司的PIC18系列單片機,因此在軟件設計中應用了Microchip公司提供的ZigBee協(xié)議棧。它隨著ZigBee無線協(xié)議規(guī)范的發(fā)展而不斷更新。該協(xié)議棧有如下特點：使用支持2.4 GHz 頻帶的Chipcon CC2420 RF 收發(fā)器；支持簡化功能設備和協(xié)調器；在協(xié)調器節(jié)點中實現(xiàn)對鄰接表和綁定表的非易失性存儲；支持非時隙的星型網(wǎng)絡；可以在大多數(shù)PIC18系列單片機之間進行移植；支持Microchip MPLAB C18和Hi-TechPICC-18C編譯器；易于添加或刪除特定模塊的模塊化設計。
RFD節(jié)點軟件設計流程
這里以RFD節(jié)點為例，闡述RFD節(jié)點加入由協(xié)調器節(jié)點組建的網(wǎng)絡的設計思想及程序流程。圖2是RFD節(jié)點主應用程序設計的流程框圖。其主要功能是實現(xiàn)硬件的初始化，并根據(jù)用戶指令進入配置模式來完成綁定操作。綁定的目的是讓RFD的地址信息出現(xiàn)在協(xié)調器的綁定表中，從而使RFD節(jié)點與協(xié)調器關聯(lián)起來。對于第一次完成燒寫程序的節(jié)點，必須接入計算機終端，按照流程進行配置和綁定操作；對于已經(jīng)完成綁定操作的節(jié)點，在進行下一次操作時，可以無需計算機而進行脫機操作。

圖2  RFD節(jié)點主應用程序設計流程框圖

一個RFD節(jié)點從自身配置、綁定完成到加入由協(xié)調器組建的網(wǎng)絡，然后進入正常工作模式，要經(jīng)歷不同的狀態(tài)。根據(jù)ZigBee協(xié)議棧的要求，在主應用程序中定義了6種工作狀態(tài)。初始化狀態(tài)(SM_APP_INIT)，即節(jié)點進行任何操作前的最初狀態(tài)；配置狀態(tài)(SM_APP_CONFIG_START)，即讓節(jié)點進入配置模式的狀態(tài)，主要通過調用配置函數(shù)引導用戶完成配置操作；正常啟動狀態(tài)(SM_APP_NORMAL_START)，當已經(jīng)配置過的節(jié)點再次使用時，無須再次進行節(jié)點配置，則直接進入正常啟動狀態(tài)，并嘗試加入一個由協(xié)調器節(jié)點組建的網(wǎng)絡；正常啟動等待狀態(tài)(SM_APP_NORMAL_START_WAIT)，RFD節(jié)點在嘗試加入網(wǎng)絡的過程中，要經(jīng)過新網(wǎng)絡初始化、網(wǎng)絡初始化是否完成、網(wǎng)絡初始化是否成功等問答和回應過程；正常工作狀態(tài)(SM_APP_NORMAL_RUN)下，節(jié)點能夠最終進入正常工作狀態(tài)才能完成節(jié)點的綁定操作；休眠狀態(tài)(SM_APP_SLEEP)下，ZigBee節(jié)點節(jié)能的關鍵就是能夠實現(xiàn)在休眠狀態(tài)和正常工作狀態(tài)間的切換，當工作任務完成后能夠自動進入休眠狀態(tài)，而當受到觸發(fā)后能夠自動進入正常工作狀態(tài)。

結語
基于ZigBee技術的無線抄表系統(tǒng)不僅能節(jié)約人力成本，還可提高抄表的準確性、實時性，使管理部門能及時準確地獲得數(shù)據(jù)信息。■
    
參考文獻：
1 白劍波等. ZigBee技術及其在樓宇自動化系統(tǒng)中應用的思考[J].智能建筑與城市信息,2006(1):102-104
2 劉和平等.PIC18Fxxx單片機程序設計及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社,2005