曹 舒

（福建省電力有限公司電能計量中心，福州 350012）

1 引言

傳統(tǒng)的手工抄表方式費時、費力且了遠程自動抄表系統(tǒng)。居民用戶集中抄表系統(tǒng)在國內已發(fā)展了十多年[1-2]，但目前仍未大面積推廣應用。主要原因有以下幾點：

（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[3-4]或現(xiàn)場總線存在布線不方便、易受自然及人為因素影響且維護工作量大等缺點；②集中器與采集器間采用電力線載波通信方式[5-6]，由于非線性負荷的大量使用，對電力線載波特別是擴頻電力線載波信號產生負面影響，使其數據傳輸不穩(wěn)定；③集中器與采集器間采用傳統(tǒng)的430MHz無線通信方案，自己編制軟件實現(xiàn)網絡路由及網絡組織的通信協(xié)議，其穩(wěn)定性與可靠性得不到保障。

（2）試運行暴露出的技術問題，特別是系統(tǒng)的抗干擾問題，因后期使用的運行維護跟不上無法及時反饋到研制單位，造成系統(tǒng)沒有及時改進完善。

ZigBee無線傳感器網絡通信[7]采用免申請的2.4GHz通信頻段，非路由情況下通信距離可達500m。其所采用的網絡協(xié)議具有自動組織網絡、自動路由、網絡自愈等功能?？山鉀Q集中器與采集器間的通信問題。在設計時充分考慮硬件的電磁兼容問題、軟件的容錯能力，按照標準進行設計和生產，加強對試運行系統(tǒng)的跟蹤改進，可大大提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)由主站及裝設在居民小區(qū)的單相智能電表、采集器[8]、路由器和集中器[9]構成。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無線傳感器網絡通信，路由器在集中器與采集器間起數據路由作用。采集器與智能電表間采用RS-485總線通信。系統(tǒng)結構如圖1所示。

系統(tǒng)主站采用交換式以太網組網，可設置在小區(qū)物業(yè)管理處或電力公司大樓。主站由前置通信機、Web服務器、數據服務器、GPS衛(wèi)星對時系統(tǒng)及工作站等構成。其中前置通信機申請配置固定IP地址，采用移動通信公司提供的2M光纖DDN專線，與GPRS網絡相連。前置通信機與各集中器進行雙向數據通信。前置通信機接收集中器發(fā)送的電能量及相關數據，經解析后轉存入數據服務器；也可發(fā)送命令到各集中器。前置通信機還實現(xiàn)對各集中器的遠程維護。Web服務器實現(xiàn)數據的網頁發(fā)布，達到系統(tǒng)分析結果數據電力公司內共享的目的。數據服務器用于存放歷史數據，并進行分析和統(tǒng)計。數據服務器還實現(xiàn)對集中器，采集器及智能電能表、居民用戶等臺帳的完整準確管理。工作站實現(xiàn)對主站系統(tǒng)及集中器和采集器的維護工作，也可有權限地查看、管理主站系統(tǒng)有關數據。GPS衛(wèi)星對時系統(tǒng)，實現(xiàn)各智能電表、采集器、集中器及主站系統(tǒng)時間的一致性和正確性，提供電能量數據同時性的保障。

圖1 系統(tǒng)結構圖

3 硬件

3.1 采集器硬件

采集器通過RS-485總線最多掛接32臺單相智能電表。采集器實現(xiàn)的主要功能有：實現(xiàn)對智能電表的小時凍結、日凍結、月凍結和瞬時電量等數據的采集及存儲；記錄與各電表間的通信狀態(tài)；記錄各種事件；對電表進行對時；響應集中器的數據要求及參數設置命令。采集器采用M icrochip公司的16位單片機PIC24FJ64GA002為CPU，擴展4M串行Flash數據存儲器。采集器硬件結構如圖2所示，CPU帶2個UART接口，1個經RS-485接口芯片MAX 1487并隔離后與智能電表通信，1個用于實現(xiàn)ZigBee無線傳感器網絡通信。CPU還外擴了掉電檢測、紅外接口、時鐘等外圍電路。ZigBee無線傳感器網絡通信實現(xiàn)的方案有：內置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)議棧構建M esh網。前2種方案的無線通信硬件設計及通信協(xié)議棧移植等研發(fā)工作量大，需要具有高頻設計方面的經驗，研發(fā)周期長。采用方案3，CPU通過UART接口與ZigBee模塊交換數據，無線傳感器網絡的組建、數據路由、網絡自愈等功能由帶有CPU的ZigBee模塊實現(xiàn)。這樣采集器的軟件和硬件設計就較為簡單。選用Digi公司帶U.F.L天線的增強型無線通信模塊XBee PR0 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網的固件XB24-ZB，支持ZigBee Pro協(xié)議棧，體積小，功能強大，性能穩(wěn)定，價格適中。XBee PR0 ZB模塊功耗為60mW（+18 dBm），傳輸距離可達500m。模塊通過UART接口與采集器CPU交換數據。設計用到模塊的數據輸出、數據輸入、狀態(tài)指示以及電源引腳。

圖2 采集器硬件結構圖

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，要求其具有多個通信接口，其設計方案有：內置多串口的CPU；CPU加串口擴展芯片；多串口CPU模塊等3種。前2種方案均需要根據應用擴展一定的存儲空間，另外，集中器要求實現(xiàn)的功能較多，基于操作系統(tǒng)進行軟件設計較方便且開發(fā)速度快，但對于前2種方案，均要做操作系統(tǒng)移植及底層驅動軟件開發(fā)等工作，需耗費時間且短期內難以做到穩(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RCM 6700模塊。該模塊主要硬件資源有：6個高速UART接口，1個以太網口，1個USB口，1M并行程序flash，2M串行數據flash，640k快速SRAM，32個數字I/0口線，看門狗，時鐘等。集中器硬件結構如圖3所示。RCM 6700模塊通過USB口擴展大容量存儲器用于存儲各智能電表的電量數據。RCM 6700模塊3個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路預留。模塊另外3個UART， 1個與XBee PR0 ZB模塊通信，1個作為調試及程序下載口，1個與中興ME3000 GPRS模塊通信[10]。RCM 6700模塊的以太網接口預留。集中器還擴展了3路隔離開關量輸入及2路隔離開關量輸出。其中開關量輸入用于檢測計量箱門狀態(tài)。

圖3 集中器硬件結構圖

4 軟件

4.1 地址編碼

單相智能電表地址采用6個字節(jié)4位二進制碼BCD（Binary-Coded Decimal ）表示。直接采用其出廠編號，采集器地址采用8個字節(jié)BCD碼表示，直接采用XBee PR0 ZB模塊出廠的唯一ID號，不可更改。集中器的地址編碼按照《Q/GDW 376.1-2009電力用戶用電信息采集器系統(tǒng)通信協(xié)議——主站與采集終端通信協(xié)議》（以下簡稱Q/GDW 376.1-2009）地址域的要求確定。集中器存儲其包含的采集器的地址；采集器存儲其包含的單相智能電表的地址；主站計算機系統(tǒng)存儲集中器、采集器及單相智能電表的地址，且與居民用戶信息建立對應關系。

4.2 通信協(xié)議

采集器與單相智能電表間通信協(xié)議采用DL/T 645-2007。采集器與集中器，現(xiàn)場手持設備與采集器間的通信幀格式設計為：幀起始字符（68H）＋功能碼（FUN）＋數據域長度（L）＋數據域（DATA）+CRC校驗+結束符（16H）。XBee PR0 ZB通信模塊提供AT指令及應用編程接口API（Application Programming Interface）等2種通信方式。API方式可指定任意通信目標節(jié)點，具有校驗域，且本身具有數據重發(fā)機制，可保證數據準確到達目標節(jié)點，故采用API通信方式。現(xiàn)場手持設備與集中器，集中器與主站軟件間通信遵循國標Q/GDW 376.1-2009。

4.3 通信軟件

（1）采集器與集中器間通信軟件

采集器與集中器間數據傳輸需路由，通信采用ZigBee Pro無線傳感器網絡。ZigBee協(xié)議在IEEE 802.15.4基礎上定義了網絡層以支持網絡路由功能，該協(xié)議具有抗干擾能力強、網絡容量大、網絡的自組織自愈能力強等特點，網絡由協(xié)調器、路由器和終端設備3種通信節(jié)點組成。協(xié)調器選擇一個PAN ID和信道啟動一個網絡后也可充當路由器。協(xié)調器和路由器允許其他通信節(jié)點加入這個網絡，能夠路由數據；終端設備不能路由數據，在不收發(fā)數據時可以休眠。當通信節(jié)點加入網絡時，加入的通信節(jié)點為子節(jié)點，允許子節(jié)點加入的通信節(jié)點為父節(jié)點，1個父節(jié)點最多有8個子節(jié)點。ZigBee聯(lián)盟推出了ZigBee 1.0、ZigBee 2006及ZigBee Pro等3個版本的協(xié)議棧，與另外2個協(xié)議棧相比，ZigBee Pro在隨機地址分配、網絡路由、組播、網絡安全等方面作了改進。

通過Digi公司提供的XBee PR0 ZB模塊配置軟件將采集器的XBee PR0 ZB模塊設置為路由器，集中器的XBee PR0 ZB模塊設置為協(xié)調器，系統(tǒng)中沒有終端設備。同時利用模塊配置軟件軟件對XBee PR0 ZB模塊的通信模式及其他相關參數進行合理設置，采集器的CPU將數據通過UART發(fā)給參數已正確配置的XBee PR0 ZB模塊，XBee PR0 ZB模塊自動按照ZigBee Pro協(xié)議建立路由連接，尋找路徑，將數據發(fā)送到目的地址。參數設置內容包括：網絡、地址、射頻RF（Radio Freqency）接口、網絡安全、串行接口、休眠方式、I/O設置、診斷命令等。下面介紹系統(tǒng)用到的主要參數設置。

1）掃描信道。網絡由協(xié)調器負責創(chuàng)建，在組建網絡時，協(xié)調器要進行通道的能量掃描，找出不同通道的RF活動水平，以避免協(xié)調器在高能量通道區(qū)組網。同樣，路由器和終端設備在加入網絡時，也要進行同樣的通道掃描。

2）掃描PAN ID。路由器或終端節(jié)點在加入ZigBee網絡前要進行PAN掃描，將加入任何檢測到的網絡，并繼承該網絡的PAN ID。一般需設置節(jié)點的64位PAN ID，16位PAN ID在其加入網絡時自動獲得。

3）目標地址。當采集器加入網絡時，使用64位地址進行通信。成功加入網絡后，網絡會為采集器分配一個16位的網絡地址。這樣采集器便可使用該地址與網絡中的其它采集器或集中器進行通信。

4）串口通信參數。包括：波特率、校驗方式、流控制等。

5）數據傳輸模式。與AT模式相比API模式具有易于管理一個到多個目標節(jié)點的數據傳輸，接收到的數據幀可以指示發(fā)送設備地址，支持高級ZigBee地址，高級網絡故障診斷和遠程參數配置等特點。采集器與集中器之間需進行雙向數據傳輸，數據傳輸方式采用API模式。

6）數據路由。ZigBee Pro協(xié)議棧包含3種不同的數據路由方法：基于距離矢量的按需AODV（AD hoc On-demand Distance Vector）網狀路由，多對一路由，源節(jié)點路由。其中多對一路由和源節(jié)點路由是ZigBee Pro協(xié)議棧新增加的數據路由方法。當多個采集器有事件發(fā)生且需要發(fā)送數據到集中器。若采用AODV網狀路由則需要大的網絡通信開銷，網絡中的每個采集器在發(fā)送數據到集中器前都要進行路由路徑的探尋，網絡將會因路由探尋廣播而性能降低或癱瘓。因此，采集器間與集中器間通信采用ZigBee Pro協(xié)議棧所提供的多對一路由。從集中器發(fā)出單一的多對一廣播傳輸在所有采集器上建立反向路徑，而不要求各個采集器進行路由發(fā)現(xiàn)。

7）網絡安全。ZigBee Pro網絡采用2個安全鑰匙、1個信任中心及128位AES加密等保證數據通信的安全。設置協(xié)調器為信任中心，使能安全功能，預設網絡安全鑰匙和應用鏈接鑰匙，則協(xié)調器負責路由器或終端設備加入網絡的驗證。路由器或終端設備加入網絡前其應用鑰匙要設置與協(xié)調器一致。新節(jié)點加入網絡時將收到協(xié)調器發(fā)送的由應用鏈接鑰匙加密的網絡安全鑰匙，解密后可獲得網絡安全鑰匙。具有相同安全鑰匙的兩個節(jié)點才能進行數據交換。系統(tǒng)通過對網絡安全鑰匙、幀計數器、是否允許新節(jié)點加入等的管理來提高網絡通信的安全性。

（2）集中器與主站間通信軟件

集中器軟件采用Dynamic C設計，Dynamic C是一個專門為Z-World產品創(chuàng)建的集成C 編譯器、編輯器、鏈接器、裝載器和調試器。Dynamic C中包含標準C函數庫，特定板外圍驅動，芯片外圍設備和相關功能的源代碼，語言上擴展多任務，支持匯編代碼與C代碼混用，易于在嵌入式系統(tǒng)上進行實時編程，可有效縮短開發(fā)周期。

集中器完成的功能包括：①采集各電能表的實時電能示值、日零點凍結電能示值、抄表日零點凍結電能示值；②按要求對采集數據進行分類存儲，如日數據、月數據、抄表日數據、凍結曲線等。曲線凍結數據密度由主站設置，最小凍結密度為1h；③分類存儲下列數據：每個客戶電能表至少31個日零點凍結電能數據，12個月末凍結電能數據；20個重點用戶10天的24點實時電能數據；④具有重點用戶管理功能?？梢赃x定某些用戶為重點用戶，對其電能表進行重點管理；⑤具有參數設置和查詢功能，事件處理和告警功能?；讦藽/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)設計集中器軟件，該操作系統(tǒng)支持多任務，適合集中器復雜軟件設計的要求?；讦藽/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的應用設計需進行任務劃分及任務優(yōu)先級分配。按集中器實現(xiàn)的功能劃分任務：與采集器通信任務，與主站計算機通信任務，與手持設備通信任務，電量數據處理分析任務，運行狀態(tài)信號燈指示任務等。依據任務實時性要求為各任務分配優(yōu)先級，優(yōu)先級范圍為1－64，數字越小，表示優(yōu)先級越高，其中64被μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)的空閑任務占用，實際可用優(yōu)先級范圍為1－63。此外還需按照各個任務所處理數據量的大小，給每個任務分配大小合適的?？臻g。任務間相對獨立，通過全局變量、信號量等機制通信，各個任務分別編寫，可提高軟件開發(fā)效率且有助于軟件的升級維護。下面主要介紹集中器與主站計算機通信任務實現(xiàn)的關鍵。

集中器與主站距離遠，采用基于TCP/IP協(xié)議的GPRS通信網絡。ME3000模塊內部已集成TCP/IP協(xié)議，CPU只需用GPRS AT指令與ME3000交換信息，進而實現(xiàn)與主站的數據通信。GPRS AT指令是CPU通過UART口與GPRS模塊通信的命令集，該命令集封裝了GPRS模塊提供的全部功能，包括普通指令、網絡服務指令、控制與報告指令、消息服務指令、GPRS指令、TCP/IP指令、短消息指令等[11]。

集中器對GPRS模塊的主要操作是建立TCP連接、數據收發(fā)、上/下電控制、復位等。用到的GPRS AT指令不多，但為了保證GPRS網絡通信的可靠性，還要使用一些報告指令實現(xiàn)對模塊狀態(tài)的監(jiān)測，如信號強度查詢、SIM卡狀態(tài)查詢、網絡注冊查詢等，這些參數是集中器操作GPRS的依據，也是保證集中器的GPRS網絡可靠通信的關鍵。如ME3000模塊的信號強度檢測指令，其格式為AT + CSQ ＜CR＞，返回值是一個類似“CSQ：27，4”的字符串，27代表信號強度，其取值范圍為0－30，0為最弱信號。GPRS模塊連接網絡前需判斷該數值是否大于某個臨界值（如15），若不滿足信號強度要求則不予連接網絡，并給出信號燈提示。另外，合適的操作節(jié)奏也是保證GPRS網絡通信可靠性的重要因素。如某次網絡連接失敗時，GPRS模塊應該斷電復位，并延時較長時間后再嘗試第二次連接，較長的延時時間是為了保證GPRS模塊上電后有足夠的時間注冊網絡、準備好接收指令。GPRS通信軟件處理流程如圖4所示。

圖4 GPRS模塊軟件處理流程圖

5 結論

采集器利用RS-485總線采集智能電表的電量數據，然后通過ZigBee Pro無線傳感器網絡將數據路由到集中器后經GPRS網絡傳送到主站，構成居民用戶3層無線自動抄表系統(tǒng)。詳細分析了各層通信的具體實現(xiàn)方法及關鍵技術。考慮事件發(fā)生時存在多個采集器同時向集中器發(fā)送數據的特殊路由需求及網絡通信安全，采集器與集中器間的無線傳感器網絡采用具有多對一路由及高級網絡安全性能的ZigBee Pro協(xié)議。

[1] 王月志,劉伯剛.自動抄表系統(tǒng)[J].電測與儀表, 2004,41(9):48-51.

[2] 趙同生,曹冰.組建自動抄表系統(tǒng)存在的幾個問題[J].電測與儀表,2002,39(444):53-55.

[3] 王宗陽,馬旭東.基于RS-485總線的遠程抄表系統(tǒng)采集終端的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術,2007, 21(7):78-80.

[4] 朱兆優(yōu).RS-485總線在遠程自動抄表系統(tǒng)中的應[J].東華理工學院學報(自然科學版),2005,28(2):191-195.

[5] 王贊基.電力線載波通信技術及其應用[J].電力系統(tǒng)自動化,2000,21(1): 64-68.

[6] 石碩.低壓電力線通信的應用[J].安徽工程科技學院學報,2004,19(1):52-57.

[7] 任豐原,黃海寧,林闖.無線傳感器網絡[J].軟件學報,2003,14(7):1282-1291.

[8] 傅永耀,孫龍杰.自動抄表系統(tǒng)采集器的設計[J].現(xiàn)代電子技術,2006,19(6):10-11,14.

[9] 李晶,陳白寧,龔民.居民小區(qū)自動抄表系統(tǒng)中集中器的研究和設計[J].沈陽理工大學學報,2007,26(3):31-34.

[10] 中興通訊.ME3000模塊AT指令手冊[M/CD].深圳:中興通訊股份有限公司,2006.

[11] 袁紅濤. GPRS 技術應用的軟硬件開發(fā)環(huán)境[J].現(xiàn)代電子技術,2004,27(16):97-99.