采用智能電表的居民用戶無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)

1引言

傳統(tǒng)的手工抄表方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且了遠(yuǎn)程自動(dòng)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(diǎn)：

(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(chǎng)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(diǎn);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(duì)電力線載波特別是擴(kuò)頻電力線載波信號(hào)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(shí)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(yùn)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(yùn)行維護(hù)跟不上無法及時(shí)反饋到研制單位，造成系統(tǒng)沒有及時(shí)改進(jìn)完善。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信采用免申請(qǐng)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(dòng)組織網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)路由、網(wǎng)絡(luò)自愈等功能?？山鉀Q集中器與采集器間的通信問題。在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮硬件的電磁兼容問題、軟件的容錯(cuò)能力，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，加強(qiáng)對(duì)試運(yùn)行系統(tǒng)的跟蹤改進(jìn)，可大大提高系統(tǒng)運(yùn)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(duì)時(shí)系統(tǒng)及工作站等構(gòu)成。其中前置通信機(jī)申請(qǐng)配置固定IP地址，采用移動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)各集中器的遠(yuǎn)程維護(hù)。Web服務(wù)器實(shí)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(jì)。數(shù)據(jù)服務(wù)器還實(shí)現(xiàn)對(duì)集中器，采集器及智能電能表、居民用戶等臺(tái)帳的完整準(zhǔn)確管理。工作站實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)時(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各智能電表、采集器、集中器及主站系統(tǒng)時(shí)間的一致性和正確性，提供電能量數(shù)據(jù)同時(shí)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(tái)單相智能電表。采集器實(shí)現(xiàn)的主要功能有：實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電表的小時(shí)凍結(jié)、日凍結(jié)、月凍結(jié)和瞬時(shí)電量等數(shù)據(jù)的采集及存儲(chǔ);記錄與各電表間的通信狀態(tài);記錄各種事件;對(duì)電表進(jìn)行對(duì)時(shí);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(chǔ)器。采集器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，CPU帶2個(gè)UART接口，1個(gè)經(jīng)RS-485接口芯片MAX1487并隔離后與智能電表通信，1個(gè)用于實(shí)現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信。CPU還外擴(kuò)了掉電檢測(cè)、紅外接口、時(shí)鐘等外圍電路。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)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(jì)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(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)。

這樣采集器的軟件和硬件設(shè)計(jì)就較為簡(jiǎn)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(jià)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(jì)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(gè)通信接口，其設(shè)計(jì)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(chǔ)空間，另外，集中器要求實(shí)現(xiàn)的功能較多，基于操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)較方便且開發(fā)速度快，但對(duì)于前2種方案，均要做操作系統(tǒng)移植及底層驅(qū)動(dòng)軟件開發(fā)等工作，需耗費(fèi)時(shí)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(jí)RCM6700模塊。該模塊主要硬件資源有：6個(gè)高速UART接口，1個(gè)以太網(wǎng)口，1個(gè)USB口，1M并行程序flash，2M串行數(shù)據(jù)flash，640k快速SRAM，32個(gè)數(shù)字I/0口線，看門狗，時(shí)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(chǔ)器用于存儲(chǔ)各智能電表的電量數(shù)據(jù)。RCM6700模塊3個(gè)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(gè)UART，1個(gè)與XBee PR0 ZB模塊通信，1個(gè)作為調(diào)試及程序下載口，1個(gè)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(cè)計(jì)量箱門狀態(tài)。