基于ZigBee的多用戶智能電表設(shè)計(jì)

0 引言

隨著公元2000年“后PC”時(shí)代的來臨，電表的發(fā)展由“機(jī)電一體化”時(shí)代進(jìn)入“智能”時(shí)代，其標(biāo)志是電表從單純被動(dòng)抄表到電能數(shù)據(jù)自動(dòng)遠(yuǎn)程傳送以及附屬功能的多樣化（例如復(fù)費(fèi)率、自動(dòng)斷電等）。正在興起的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是電表發(fā)展的最新前進(jìn)方向；從根本上講，自動(dòng)抄表系統(tǒng)是一種監(jiān)控內(nèi)容少，實(shí)時(shí)性要求弱的監(jiān)控系統(tǒng)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所具有的無線傳輸，免費(fèi)傳輸頻段，傳輸數(shù)據(jù)量小，傳輸速率慢，節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，組網(wǎng)方式靈活，構(gòu)建成本低廉的特點(diǎn)正是自動(dòng)抄表系統(tǒng)所追求的目標(biāo)，電表作為自動(dòng)抄表系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合符合技術(shù)發(fā)展的要求。

ZigBee無線通訊技術(shù)作為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的代表在自動(dòng)抄表產(chǎn)品中已經(jīng)有初步的應(yīng)用，但是多以抄表器上傳通訊手段的方式在自動(dòng)抄表中應(yīng)用，隨著微電子技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，抄表器的功能完全可以由智能電能表兼容，因此自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的抄表器及其下層附屬的各個(gè)電表完全可以由一個(gè)采用ZigBee通訊方式的多用戶智能電表替代，文中設(shè)計(jì)的智能電表即采用這種技術(shù)方案。

1 設(shè)計(jì)方案

文中的設(shè)計(jì)針對對象是小區(qū)用戶，在小區(qū)內(nèi)每一座住宅樓的各個(gè)單元中安裝一塊智能電表，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，一塊電表可實(shí)現(xiàn)一個(gè)單元最多16戶的電能自動(dòng)測量和自動(dòng)斷電等附屬功能（可通過增加數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)目實(shí)現(xiàn)一個(gè)單元更多的用戶點(diǎn)數(shù)目）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，從系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)上電表可分為控制單元，測量與執(zhí)行單元，通訊單元三部分。具體功能分析如下：

1.1控制單元

電表的控制單元由基于MSP430F133的控制器模塊組成，控制器模塊按照預(yù)先設(shè)定的控制程序通過對數(shù)據(jù)選擇器的相應(yīng)操作逐次接受對應(yīng)電能計(jì)量模塊傳送的脈沖信號，按照文中設(shè)計(jì)的計(jì)量方式，經(jīng)內(nèi)部計(jì)算處理后，得出其在循環(huán)周期內(nèi)的電量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)累加存儲(chǔ)并定時(shí)以ZigBee通訊方式上傳，同時(shí)控制執(zhí)行器模塊/通訊模塊實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)/定時(shí)的欠費(fèi)斷電/實(shí)時(shí)抄送命令的執(zhí)行。而且控制器單元作為智能電表的大腦也負(fù)責(zé)了整個(gè)電表系統(tǒng)日常工作的運(yùn)行與維護(hù)。

1.2測量與執(zhí)行單元

電表的測量單元由16個(gè)電表計(jì)量模塊與一個(gè)16選1數(shù)據(jù)選擇器組成，每一塊計(jì)量模塊由ADE7755電能計(jì)量芯片及其附屬電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)一個(gè)家庭用戶的電能自動(dòng)測量，符合當(dāng)前“一戶一表”的要求，ADE7755可以實(shí)現(xiàn)用電量的自動(dòng)測量，將當(dāng)前用電量以脈沖信號的形式經(jīng)過數(shù)據(jù)選擇器輸送到控制器，而16選1數(shù)據(jù)選擇器可通過設(shè)定的程序逐次將各個(gè)計(jì)量模塊的脈沖信號輸送到控制器，針對家庭居民用戶，用電功率小且功率曲線平緩不易突變的特點(diǎn)，采用在一循環(huán)時(shí)間周期內(nèi)用其中某一時(shí)間段的平均功率代替整個(gè)時(shí)間范圍平均功率的計(jì)量方式。文中選取32s作為循環(huán)周期，具體地講，在32s的循環(huán)周期內(nèi)，每2s逐次接通一個(gè)數(shù)據(jù)測量通道，控制器記錄下相應(yīng)電能計(jì)量模塊在2s時(shí)間內(nèi)的積累脈沖數(shù)。

采用此種計(jì)量方式不僅可以保證測量精度，而且大大節(jié)省了控制器芯片的端口資源從而有效降低系統(tǒng)成本。數(shù)據(jù)選擇器采用控制器對其4個(gè)控制引腳的不同職位實(shí)現(xiàn)16個(gè)數(shù)據(jù)上傳通道的逐次接通。電表的執(zhí)行單元由一個(gè)4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器和16個(gè)SSR構(gòu)成，一旦單片機(jī)收到上端集中器下傳來的欠費(fèi)或者其他原因引起的斷電信號就立即通過對4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器的G0,G1,A,B,C,D 6個(gè)引腳的不同置位控制相應(yīng)用戶所屬的固態(tài)繼電器切斷其電源供應(yīng)。

1.3通訊單元

電表與上層集中器的通訊方式采用ZigBee通訊方式。從過程上講，采用CC2420芯片通過ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)將16戶的當(dāng)前用電量以被動(dòng)查詢或定時(shí)上傳的形式發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器。或者將上層數(shù)據(jù)集中器的查詢命令與欠費(fèi)自動(dòng)斷電命令下載到控制器單元。從數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)上講，一定數(shù)目的多用戶智能電表和一個(gè)集中器構(gòu)成中心結(jié)構(gòu)的ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1控制器單元原理圖電路構(gòu)建

控制單元以MSP430F133單片機(jī)作為核心控制芯片，MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Processor)。稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。

MSP430F133單片機(jī)在32s的循環(huán)周期內(nèi)通過控制數(shù)據(jù)選擇器的4位選擇引腳，每2s逐次接通一個(gè)通道將從對應(yīng)電能計(jì)量模塊上傳來的累加脈沖信號累加到對應(yīng)的累加器單元中，在每10min將積累的計(jì)量脈沖計(jì)算轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的用電量數(shù)據(jù)附加上當(dāng)前的時(shí)間常數(shù)存儲(chǔ)到對應(yīng)的存儲(chǔ)器單元中。在每1h末按照預(yù)先的程序定時(shí)上傳存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或者隨時(shí)執(zhí)行下傳的抄送命令立即將積累的脈沖計(jì)算轉(zhuǎn)化為用電數(shù)據(jù)附加上此刻的時(shí)間常數(shù)，和前1h末到此刻積累的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)一起發(fā)送到上層的集中器。發(fā)送的方式是通過ZigBee通訊模塊發(fā)送到小區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)集中器上端。同時(shí)可隨時(shí)將上端傳送來的欠費(fèi)或其他原因造成的斷電指令發(fā)送到執(zhí)行模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電功能?？刂破骶唧w硬件構(gòu)建如下：

系統(tǒng)供電采用LM7805整流后的+3.3V直流電源，以+4.5V電池組作為后備電源；系統(tǒng)采用4×4矩陣鍵盤進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；外擴(kuò)了FM24C16以增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)能力；用戶的用電量顯示可精確到最新10m內(nèi)的用電量，采用6只共陰極LED數(shù)碼管構(gòu)成的動(dòng)態(tài)掃描顯示電路第一位采用16進(jìn)制數(shù)字表示16個(gè)用戶，其后的5位數(shù)字顯示相應(yīng)用戶的當(dāng)前用電量，精度可以精確到小數(shù)點(diǎn)后2位數(shù)。也可以將其用電量數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后直接循環(huán)逐次顯示當(dāng)前用電費(fèi)用，采用不同時(shí)刻不同費(fèi)率的計(jì)算處理手段同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)復(fù)費(fèi)率功能。其具體硬件原理連接電路圖如圖2所示。

2.2測量及其執(zhí)行單元原理圖電路構(gòu)建

測量單元中數(shù)字式電能計(jì)量芯片采用ADE7755，16選1數(shù)據(jù)選擇器采用74LS150。執(zhí)行單元中4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器采用74HC154，SSR采用MOC3061+IGBT。

ADE7755是美國著名的ADI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種脈沖輸出的電能計(jì)量集成芯片，在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定性。它內(nèi)部集成了包含相位校正、乘法器、數(shù)字一頻率轉(zhuǎn)換器、信號處理電路組成的電能計(jì)量運(yùn)算的核心電路，并能將電量以與瞬時(shí)功率成正比的脈沖輸出形式提供給MCU,單片機(jī)只需通過計(jì)數(shù)器自動(dòng)記錄一定時(shí)間間隔內(nèi)傳送的脈沖數(shù)，然后與功率/頻率轉(zhuǎn)換參數(shù)相乘即可得出這一時(shí)間段內(nèi)的用電量。單片機(jī)在不同時(shí)間采用不同的費(fèi)率/功率參數(shù)即可方便的實(shí)現(xiàn)復(fù)功率計(jì)費(fèi)。

ADE7755中SCF=0，S1=S0=1。CF輸出選擇最高頻輸出模式，儀表脈沖/功率輸出常數(shù)為204800imp/kWhr,戶用電最大電流值為20A,則PMAX=2.2kW,CFMAX=125Hz,系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求CFMIN=0.5Hz,則PMIN=8.8W。即文中的多用戶智能電表能夠測量的最低功率為8.8W。

MSP430F133通過對74LS150的A、B、C、D 4個(gè)引腳的不同置位實(shí)現(xiàn)E0-E15共16條通道的依次接通。而ADE7755將當(dāng)前用電功率以脈沖頻率的形式輸送到MSP430F133,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表；一旦上位集中器發(fā)送斷電命令，單片機(jī)通過4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器74HC154的置位控制相應(yīng)的SSR固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)斷電，原理是通過光電耦合器MOC3061驅(qū)動(dòng)IGBT的關(guān)斷。其具體硬件原理連接電路圖如圖3所示。

2.3通訊單元原理圖電路構(gòu)建

CC2420只需要極少的外圍元器件，它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。其硬件原理連接電路圖如圖4所示。

CC2420內(nèi)部使用1.8V工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設(shè)備;外部數(shù)字I/O接口使用3.3V電壓，這樣對于只有3.3V電源的設(shè)備，不需要額外的電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作。CC2420射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負(fù)載是115+j180，阻抗匹配電路應(yīng)該根據(jù)這個(gè)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。如果使用單端天線則需要使用平衡/非平衡轉(zhuǎn)換電路，以達(dá)到最佳收發(fā)效果。CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SDF、FIFO、FIFOP、和CCA四個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài);而處理器通過SPI接口與CC242O交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等;CC2420通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設(shè)置芯片的工作模式并實(shí)現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)、讀／寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射／接收緩存器。

3 軟件設(shè)計(jì)

電表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)和通訊程序設(shè)計(jì)，在此只講主程序的設(shè)計(jì)，其流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)進(jìn)程首先進(jìn)行初始化，成功后的進(jìn)程分為并列的兩部分。其一是各戶用電量的上抄：單片機(jī)內(nèi)輪抄計(jì)數(shù)器置01，MSP430F133對74LS150的ABCD四個(gè)控制端置0000位，此時(shí)引腳EA0對應(yīng)的通道接通到MSP430F133的輸入端，單片機(jī)統(tǒng)計(jì)其在32s內(nèi)積累的脈沖數(shù)。2s后，輪抄計(jì)數(shù)器加1為02，ABCD置1000位，EA1對應(yīng)通道接通，進(jìn)行相應(yīng)用戶的計(jì)數(shù)積累脈沖的上抄，以此循環(huán)進(jìn)行相應(yīng)用戶的抄送，當(dāng)輪抄計(jì)數(shù)器的數(shù)目=16時(shí)，完成總共16戶的上抄，將輪抄計(jì)數(shù)器的置01，進(jìn)行下一輪循環(huán)的上抄?？傮w上講，整個(gè)電表系統(tǒng)32s為一個(gè)循環(huán)，對用戶用電量進(jìn)行循環(huán)抄送，每10m將各用戶累加器單元統(tǒng)計(jì)的累積脈沖計(jì)算轉(zhuǎn)換為電量數(shù)據(jù)(用電量=脈沖數(shù)×16×儀表脈沖/功率輸出常數(shù)，因統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)是真實(shí)值的1/16)并附屬時(shí)間常數(shù)存儲(chǔ)到對應(yīng)的存儲(chǔ)器單元，并且實(shí)時(shí)顯示最新10m內(nèi)的用電量/用電費(fèi)用，每1h末進(jìn)行用電數(shù)據(jù)（用電量和對應(yīng)的時(shí)間常數(shù)）的定時(shí)傳送，其二是電表數(shù)據(jù)的上傳和斷電的執(zhí)行：啟動(dòng)CC2420連入ZigBee局域網(wǎng)，成功后等待上層集中器命令，一旦網(wǎng)絡(luò)斷開立即重啟CC2420重新連入局域網(wǎng)絡(luò)；上層集中器下載的命令分為數(shù)據(jù)上傳和欠費(fèi)斷電兩種，若是斷電命令，MSP430F133控制相應(yīng)用戶的SSR斷開電源連接，成功后自動(dòng)轉(zhuǎn)為待命狀態(tài)，若不成功，重復(fù)進(jìn)行斷電操作直至操作成功。若是上傳命令，MSP430F133立即將累加器內(nèi)積累脈沖轉(zhuǎn)化為電量數(shù)據(jù)附上時(shí)間常數(shù)存儲(chǔ)到對應(yīng)的存儲(chǔ)器單元，然后將前1h末到此刻RAM內(nèi)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)通過CC2420以ZigBee通訊的方式上傳到上位集中器。成功后自動(dòng)轉(zhuǎn)入待命狀態(tài)。

4 結(jié)束語

采用了ZigBee通訊技術(shù)的多用戶智能電表是遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)和構(gòu)成元素，一定數(shù)目的表和同樣采用基于CC2420的ZigBee通訊技術(shù)的集中器構(gòu)成了中心結(jié)構(gòu)的ZigBee局域通訊網(wǎng)絡(luò)，每一塊表與中心節(jié)點(diǎn)集中器數(shù)據(jù)交換，集中器將匯集的抄表數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程控制中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下利用MSPRF-430F2618-PK專業(yè)開發(fā)系統(tǒng)（部分模塊進(jìn)行了更換）進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，證明多用戶智能電表運(yùn)行正常，與集中器通訊暢通，但也存在通訊距離不夠遠(yuǎn)（小于50m），易受外界電磁環(huán)境干擾的缺陷。可考慮采用最新的CC2591(加強(qiáng)了天線功率，其理論通訊距離可達(dá)到1000m)替換CC2420的方式提高通訊效率。

從總體上看，文中的多用戶智能電表兼容了抄表器功能，在“一戶一表”的前提下簡化了抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省了系統(tǒng)成本。與當(dāng)前使用有線通訊技術(shù)（如電力載波/總線通訊等）的智能電表相比，基于ZigBee的多用戶智能電表實(shí)現(xiàn)短距離范圍內(nèi)無線抄表不僅避免了有線抄表布線施工的難題，而且在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中具備無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能，即其在抄表通訊網(wǎng)絡(luò)中的投入和退出只需遠(yuǎn)程控制而不需要進(jìn)行任何的硬件修改，從而極大地降低了安裝運(yùn)行之后的日常維護(hù)工作的勞動(dòng)強(qiáng)度。而與同樣是無線抄表的GSM技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)基于免費(fèi)的2.4GHz頻道，不需為此付出昂貴的通訊頻道租借費(fèi)用。總之，低成本的ZigBee通訊技術(shù)與電表相結(jié)合，不但符合當(dāng)前市場對智能電表的功能要求，而且符合未來“智能家居”發(fā)展的要求。自動(dòng)抄表是“智能家居”三表集抄系統(tǒng)的一個(gè)功能單元，ZigBee通訊技術(shù)作為“智能家居”中最有前途的通訊手段與前者的結(jié)合不僅是經(jīng)濟(jì)效益最高的，也代表了以后電表的發(fā)展方向。