摘要：該文介紹了Zigbee技術(shù)及基于Zigbee技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)敘述了抄表系統(tǒng)中電能表和集中收發(fā)器的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：Zigbee；遠(yuǎn)程抄表；電能表；集中收發(fā)器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）27-0189-03

Abstract： This paper introduces the design scheme of the remote meter reading system based on Zigbee technology and Zigbee technology， and describes the hardware design and implementation of the meter and the transceiver in the meter reading system.

Key words： zigbee； remote meter reading； electric energy meter； centralized transceiver

目前，我國(guó)的電力營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)的主要抄表方式是手工抄收和IC卡預(yù)付費(fèi)電能表。手工抄表存在效率低下、費(fèi)用大、錯(cuò)誤率高、對(duì)用電情況難以統(tǒng)計(jì)分析、不能實(shí)時(shí)監(jiān)控等缺點(diǎn)，IC卡預(yù)付費(fèi)電表存在IC卡直接與用戶(hù)接觸容易損壞、不能解決盜電問(wèn)題、不了解用戶(hù)實(shí)際使用情況等缺點(diǎn)。近年來(lái)隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)。

遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)按照通信介質(zhì)的不同又分為有線和無(wú)線方式，有線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)可以有效解決手工抄表和IC卡預(yù)付費(fèi)電表存在的缺點(diǎn)，但是同樣也存在著問(wèn)題：布線麻煩，安裝成本高，不易于擴(kuò)展性等等。無(wú)線以其技術(shù)先進(jìn)、傳輸速率快、便于實(shí)現(xiàn)、高可靠性、成本低廉優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)電力抄表方式的必然發(fā)展趨勢(shì)。因此，本文提出了基于Zigbee技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。

1 Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介

科學(xué)技術(shù)的日新月異，與此同時(shí)無(wú)線通信技術(shù)也得到了快速發(fā)展，Zigbee技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生了，它主要是面向低成本的設(shè)備無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的要求。Zigbee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。ZigBee 是 IEEE 802.15.4 技術(shù)的商業(yè)名稱(chēng)，該技術(shù)的核心由2000年12月成立的 IEEE 802.15.4工作組制定（2003年5月通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)），高層應(yīng)用、互聯(lián)互通測(cè)試和市場(chǎng)推廣由 2002 年組建的 ZigBee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)。ZigBee 聯(lián)盟由英國(guó)Invensys 公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司等組成，已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無(wú)線設(shè)備開(kāi)發(fā)商和制造商的加入（2005年初公布 zigbee1.0標(biāo)準(zhǔn)）。[1]

Zigbee技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：[2]

設(shè)備省電。Zigbee技術(shù)在工作情況下，傳輸速率低，傳送數(shù)據(jù)量小，工作時(shí)間短；不工作時(shí)處于休眠狀態(tài)，這可確保采用Zigbee技術(shù)的節(jié)點(diǎn)兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。

通信可靠。Zigbee技術(shù)的MAC層采用了碰撞避免機(jī)制，發(fā)送的數(shù)據(jù)包只有確認(rèn)信息回復(fù)后才進(jìn)行下一數(shù)據(jù)包傳輸。同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。

成本低廉。設(shè)備的復(fù)雜程度低，且ZigBee協(xié)議是免專(zhuān)利費(fèi)的；ZigBee的工作頻段靈活，全球?yàn)槊鈭?zhí)照頻段的2.4GHz，（歐洲為868MHz，北美為915 MHz），是沒(méi)有使用費(fèi)的無(wú)線通信。

時(shí)延短。通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。典型設(shè)備搜索時(shí)延值為30 ms，休眠激活時(shí)延值是15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms，適合工業(yè)控制等領(lǐng)域。

網(wǎng)絡(luò)容量大。ZigBee可以采用星形、網(wǎng)狀、簇狀結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，而且可以通過(guò)任一節(jié)點(diǎn)連接組成更大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以最多容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可以同時(shí)存在100個(gè)獨(dú)立而且相互重疊覆蓋的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，如果通過(guò)協(xié)調(diào)器，則一個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持64000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

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(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

2 系統(tǒng)總體構(gòu)成

基于Zigbee的無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)主要有三部分組成：電能表、數(shù)據(jù)集中收發(fā)器和中心服務(wù)器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)各部分的功能如下：

電能表：紀(jì)錄、存儲(chǔ)用戶(hù)用電信息，接收指令，發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)集中收發(fā)器：將電力中心服務(wù)器的指令轉(zhuǎn)發(fā)給電能表，將電能表傳送的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給電力中心服務(wù)器，備份數(shù)據(jù)信息。

中心服務(wù)器：通過(guò)抄表管理軟件對(duì)電能表信息進(jìn)行抄收，用戶(hù)繳費(fèi)，用電數(shù)據(jù)分析，打印等。

在本系統(tǒng)中，每塊電能表都嵌有Zigbee協(xié)議棧的無(wú)線射頻芯片，電能表的數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線方式直接或者通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)傳送給小區(qū)的Zigbee集中器，集中器收到電能表傳送的信息經(jīng)過(guò)檢準(zhǔn)確無(wú)誤以后，向電能表發(fā)送確認(rèn)回復(fù)，同時(shí)把信息保存到Flash，然后通過(guò)GPRS方式把收到的數(shù)據(jù)信息傳送給電力中心服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表。

3 具體的硬件設(shè)計(jì)

3.1電能表的設(shè)計(jì)

電能表的硬件電路由微控制器MCU、Zigbee通訊模塊、電能計(jì)量模塊、電源電路模塊、輸入輸出電路以及其他電路等組成，其原理圖如圖2。其中MCU是整個(gè)電能表的核心，它負(fù)責(zé)定時(shí)從電能計(jì)量模塊采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)MCU還負(fù)責(zé)控制Zigbee模塊的通信，另外還負(fù)責(zé)電能表各個(gè)部件的協(xié)調(diào)控制、人機(jī)交互、檢測(cè)電源電壓等。電能計(jì)量電路是電能表計(jì)量準(zhǔn)確的關(guān)鍵，是電能表計(jì)量功能的體現(xiàn)。Zigbee模塊是電能表與集中收發(fā)器通信的部件，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線抄表的關(guān)鍵。這里重點(diǎn)介紹MCU、電能計(jì)量模塊和Zigbee模塊的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

MCU選用Atmega128微控制器芯片。Atmega128是美國(guó)Atmel公司推出8位微控制器，其結(jié)構(gòu)基于AVR RISC，其突出優(yōu)點(diǎn)就是高新能、低功耗，高頻率（最高可達(dá)16MHz）。由于Atmega128先進(jìn)的指令集、高數(shù)據(jù)吞吐率、單周期指令執(zhí)行時(shí)間，這些可以很好的緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。Atmega128內(nèi)含128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、4K字節(jié)的EEPROM、4K字節(jié)的SRAM、53個(gè)通用I/O口線、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器/計(jì)時(shí)器、兩個(gè)USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器、SPI串行端口、JTAG測(cè)試接口等。Atmega128具有高性能、低功耗、低價(jià)位等優(yōu)點(diǎn)，能夠電能表準(zhǔn)確、穩(wěn)定的要求，其I2C、SPI總線接口能夠很好的與其他功能電路接口兼容。

電能計(jì)量芯片選用ADE7755電能測(cè)量集成芯片。ADE7755是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的用于功率測(cè)量或電能計(jì)量的專(zhuān)用集成電路，芯片的輸入引腳能夠直接與傳感器相連接。其精度很高，在500：1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的誤差小于1%；能夠滿(mǎn)足50Hz/60Hz IEC687/1036標(biāo)準(zhǔn)的精度要求；采用CMOS結(jié)構(gòu)，單+5V工作電壓，功耗很低；內(nèi)置電源監(jiān)控電路；內(nèi)置防潛動(dòng)功能電路（空載閾值）。ADE7755在惡劣的環(huán)境條件下能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，而且準(zhǔn)確度很高，主要是因?yàn)槠渲辉诨鶞?zhǔn)源和ADC電路中使用模擬電路，其他信號(hào)處理完全使用數(shù)字電路，這使得它完全滿(mǎn)足電能表高精度、低成本要求。在電路連接上，線電壓經(jīng)過(guò)電阻的分壓、濾波后的電壓信號(hào)接V2P和V2N端，負(fù)載電流經(jīng)過(guò)濾波接V1P和V1N端；為了加強(qiáng)內(nèi)部基準(zhǔn)不受外界干擾，在基準(zhǔn)電源輸出端加上一個(gè)10μF電容濾波。將ADE7755的CF引腳輸出的脈沖信號(hào)接到Atmega128的定時(shí)器輸入端，REVP引腳通過(guò)光藕器件和Atmega128電路進(jìn)行隔離輸出。

Zigbee模塊選CC2420無(wú)線射頻芯片。CC2420是CHIPCOM公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片，是第一款適用于Zigbee產(chǎn)品的RF器件，在應(yīng)用中只需配備極少外部器件就可以完成設(shè)計(jì)，而它的功耗低且性能穩(wěn)定。CC2420的特點(diǎn)有數(shù)據(jù)速率最高達(dá)250Kbps，供電電壓低（2.1—3.6V），內(nèi)部集成有VCO、LAN、PA以及電源整流器，抗干擾能力強(qiáng)等。CC2420與微處理器Atmega128通過(guò)SPI口連接，在本電能表設(shè)計(jì)中Atmega128的SPI接口作為主控制模式，CC2420的SPI接口作為從模式。引腳連接上CC2420的SO端與Atmega128的MISO（13腳）相連，CC2420的S I端與Atmega128的MOSI（12腳）相連，CC2420的SCLK端、CSn端分別與Atmega128的串行時(shí)鐘SCK（11腳）、模式選擇SS（10腳）相連。

3.2集中收發(fā)器設(shè)計(jì)

集中收發(fā)器是以MCU微控制器為核心，MCU分別控制Zigbee模塊、GPRS模塊與小區(qū)電能表、中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳送。其主要由MCU微控制器、Zigbee模塊、GPRS模塊、存儲(chǔ)模塊以及其他外圍部分構(gòu)成，組成硬件原理圖如圖3。集中收發(fā)器不僅負(fù)責(zé)控制與上、下位機(jī)的通信，而且還要定期查詢(xún)，定期抄收，保存數(shù)據(jù)，因此這里選用功能強(qiáng)大的嵌入式微處理器LPC2214和大容量的Flash存儲(chǔ)器SST39VF160。

由于集中器收發(fā)器中MCU的任務(wù)比較繁重，因此選用Philips公司的32位嵌入式微處理器LPC2214。LPC2214是一款基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM的高性能RISC微控制器，它有144管腳，帶有16K字節(jié)片內(nèi)靜態(tài)RAM和256K字節(jié)嵌入式高速Flash存儲(chǔ)器，集成了向量控制器，外部總線控制器，8路10位A/D轉(zhuǎn)換器（最低轉(zhuǎn)換時(shí)間2.44ms），2個(gè)32位定時(shí)器（帶4路捕獲和4路比較通道），6路輸出PWM單元，2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART，高速I(mǎi)2C接口（400kbit/s），2個(gè)SPI接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘，看門(mén)狗定時(shí)器以及112個(gè)通用I/O引腳，高時(shí)鐘頻率為60MHz，并且有極低的功耗。其優(yōu)良的性能、強(qiáng)大的處理能力、極地的功耗非常適合于集中收發(fā)器。[3]

GPRS模塊選用GR47芯片，GR47是Sony/Errison公司推出的一款內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的GSM/GPRS模塊。GR47的Flash空間中44KB可以用于存放程序，64KB可用于存放數(shù)據(jù)，RAM空間具有256KB，可以滿(mǎn)足大多數(shù)相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求，從而可以非常容易利用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。GR47對(duì)外有3個(gè)串口，其中串口1作AT指令通道或程序下載用，串口2主要用于調(diào)試程序，串口3為通用232口，可以連接其他外部設(shè)備，另外還有I2C、SPI總線和8根I/O線。在電路設(shè)計(jì)中將微控制器LPC2214與GR47模塊結(jié)合起來(lái)，LPC2214通過(guò)UART1向GR47發(fā)送AT指令，具體連接是GR47模塊采用串行RS-232接口與LPC2214的UART1相連（包括DTR、RTS、DCD、CTS、DSR、RXD、TXD、RI端）。

集中收發(fā)器中選用的Zigbee模塊和電能表相同，都是CC2420，電路連接也相似，這里不再贅述。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的基于Zigbee技術(shù)的抄表系統(tǒng)具有功耗低、自動(dòng)化程度高、通訊可靠、成本低廉等特點(diǎn)。通過(guò)本系統(tǒng)可以很方便完成對(duì)電表的查抄工作，降低了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了抄表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

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