基于ZigBee和CS5460A的智能電表系統(tǒng)開發(fā)

李 晶，張 靜，呂肖晗

（1.孝感供電公司客戶服務(wù) 中心計(jì)量室， 湖北 孝感 432100； 2.湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院， 湖北 襄陽 441051； 3.襄陽海特測控技術(shù)有限公司， 湖北 襄陽 441003）

智能電網(wǎng)是一種供電部門能夠和用電用戶及時(shí)交流信息，并以此調(diào)節(jié)電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)精細(xì)供電、優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的的新一代電網(wǎng)。

在智能電網(wǎng)中，智能電表處于非常重要的地位，是溝通用電戶與供電部門的橋梁，是智能電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備，“智能電網(wǎng)始于智能電表”。我國人口眾多，用電戶數(shù)量巨大，智能電表的市場需求非常大。因此，研究適合我國國情的智能電表，滿足我國智能電網(wǎng)建設(shè)的需要非常重要。[1]

智能電表，與具有電能計(jì)量功能普通電能表的主要區(qū)別是信息交換能力，即通信、網(wǎng)絡(luò)能力。[2]一般用于智能電表的通信技術(shù)有如下特點(diǎn)：①智能電表一般通過部署在小區(qū)、大廈等位置的網(wǎng)關(guān)等設(shè)備與供電部門實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，其通信的距離不會(huì)太遠(yuǎn)，數(shù)十米至數(shù)百米；②由于電網(wǎng)中電表的數(shù)量眾多，故電表本身的功耗應(yīng)盡量低，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)能力需要的功耗應(yīng)盡可能低，以降低電表整機(jī)的電能消耗；③智能電表本身的成本應(yīng)盡量低，故通信技術(shù)的成本也應(yīng)盡量低；④智能電表的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性要求不是很高，數(shù)據(jù)量也較小；⑤由于電表中的數(shù)據(jù)屬于敏感數(shù)據(jù)，不能被有意、無意的篡改或竊取，故通信過程中的安全性要求非常高。

綜觀上述要求，ZigBee技術(shù)非常適合智能電表應(yīng)用。本文介紹將ZigBee技術(shù)與智能電表結(jié)合的研究與開發(fā)工作。[3]

一、智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能電表首先作為電表其基本功能是實(shí)現(xiàn)電能的有效計(jì)量。實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量的方法可以利用AD轉(zhuǎn)換器對電路中的電壓、電流實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣，計(jì)算出電路中的瞬時(shí)功率，在此基礎(chǔ)上累加得出一段時(shí)間內(nèi)的電能消耗。但這種方式對于計(jì)算能力的需求較高、對MCU的資源需求較高，智能電表中MCU還需要處理網(wǎng)絡(luò)、通信等事務(wù)，故這種方式不太適合在智能電表中應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量的另一種方法是使用專門的計(jì)量芯片，這些芯片內(nèi)部帶有多通道的AD轉(zhuǎn)換器和電能計(jì)算引擎，無需外部MCU的干預(yù)即可自主計(jì)算電路中的電壓、電流、瞬時(shí)功率及有功、無功電能等。

這里選用CS5460A作為電能計(jì)量芯片，TI公司的CC2530作為智能電表中的ZigBee通信部件，與CS5460A實(shí)現(xiàn)無縫連接，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大的智能電表結(jié)構(gòu)體系。

（一）智能電表的硬件設(shè)計(jì)

由于ZigBee通信和電能計(jì)量工作的實(shí)時(shí)性都很強(qiáng)，應(yīng)用專用的電能計(jì)量芯片，將計(jì)量計(jì)算的需求降到最低。CC2530內(nèi)部的MCU運(yùn)算速度較快，除實(shí)現(xiàn)ZigBee通信協(xié)議外，還有時(shí)間完成其他的工作。

本文開發(fā)的智能電表系統(tǒng)硬件電路如圖1所示。為簡單起見，電路中略去了電源、高頻部分和EMC保護(hù)等。

以CC2530為主芯片，完成ZigBee通信、電能累計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?；CS5460A實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量功能，通過SPI接口與CC2530連接；圖中R1是電流取樣電阻，R2、R3是電壓分壓電阻，用于將被測電路的電流、電壓變換為適合CS5460A的輸入信號；CC2530在初始化時(shí)通過SPI接口訪問CS5460A，設(shè)置工作方式和相關(guān)參數(shù)；CS5460A的電能輸出脈沖連接到CC2530的外部中斷輸入，每來一個(gè)電能計(jì)量脈沖產(chǎn)生一次中斷申請，CC2530在中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)電能累加。

為在掉電時(shí)完整保存電能計(jì)量數(shù)據(jù)，CC2530的I2C接口連接了一片I2C接口的鐵電存儲器芯片F(xiàn)M24C256。

設(shè)計(jì)中需要注意的主要問題有兩點(diǎn)：一是電能表的校準(zhǔn)。在制造時(shí)由于取樣電阻的誤差和芯片的個(gè)體差異，需要將電能表在標(biāo)準(zhǔn)信號條件下修調(diào)，使其滿足計(jì)量所需的準(zhǔn)確性。CS5460A通過SPI接口接收校準(zhǔn)命令，對標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行測量，將生成校準(zhǔn)數(shù)據(jù)并記錄在非易失存儲器中，以后每次上電時(shí)通過SPI接口從該存儲器中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，寫入芯片內(nèi)部的寄存器中。在本設(shè)計(jì)中，EEPROM存儲器AT93C46就是用來存放校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的，校準(zhǔn)是：準(zhǔn)備好標(biāo)準(zhǔn)信號后通過按鍵S進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)，并完成全部校準(zhǔn)工作。電表每次上電時(shí)CC2530控制CS5460A從AT93C46中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，完成電表的初始配制，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

二是電能數(shù)據(jù)的存儲。由于電能計(jì)量需要連續(xù)累計(jì)，故電表掉電時(shí)應(yīng)將當(dāng)前電能數(shù)據(jù)在非易失存儲器中保存，再次上電工作時(shí)將保存的數(shù)據(jù)讀出，并在此基礎(chǔ)上累計(jì)。對此可以配備高能備用電池；也可以利用掉電監(jiān)測電路，在掉電前將數(shù)據(jù)存入EEPROM中；也可以在工作時(shí)每次累計(jì)后直接將數(shù)據(jù)寫入EEPROM中。本設(shè)計(jì)中與CC2530連接的鐵電存儲器芯片F(xiàn)M24C256即用來存儲電能計(jì)量數(shù)據(jù)。

圖1中，R1為負(fù)載電流取樣電阻，R2、R3為負(fù)載電壓分壓電阻，用于將負(fù)載電流、電壓轉(zhuǎn)換為適合CS5460A要求的信號。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于外部元件的差異，需要對電表進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)過程中施加標(biāo)準(zhǔn)的電壓、電流信號，MCU分別發(fā)出相應(yīng)的校準(zhǔn)命令，CS5460A中獲取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并在EEPROM中保存。由于CS5460A直流、交流、增益、偏置等多個(gè)參數(shù)的校準(zhǔn)，因此電表配備有一支按鍵KEY和8只LED，其中按鍵用于觸發(fā)和變換校準(zhǔn)步驟，LED指示校準(zhǔn)的進(jìn)程。限于本文篇幅，對于與電表核心結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分，如復(fù)位、高頻天線、電源、EMC等硬件設(shè)計(jì)沒有涉及。

圖1 智能電表硬件電路圖

（二）智能電表的軟件設(shè)計(jì)

智能電表的軟件主要有ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分和電能計(jì)量部分。[4-5]

電能計(jì)量部分需要自己編寫。在基于ZigBee的智能電表設(shè)計(jì)里，最少有3個(gè)事件需要處理，分別是電能的計(jì)量脈沖事件、校準(zhǔn)按鍵事件和上層應(yīng)用命令事件。

一個(gè)任務(wù)實(shí)際上主要由兩個(gè)主要的函數(shù)組成：一個(gè)函數(shù)完成與任務(wù)相關(guān)的初始化工作，另一個(gè)函數(shù)負(fù)責(zé)任務(wù)事件的處理，有的情況下可能還需要一個(gè)回調(diào)函數(shù)（Callback Function）。任務(wù)在操作系統(tǒng)注冊后即會(huì)被操作系統(tǒng)調(diào)度、執(zhí)行。

其中電能計(jì)量的任務(wù)由外部電能脈沖信號觸發(fā)，其工作過程如下：CS5460根據(jù)計(jì)量結(jié)果產(chǎn)生電能脈沖，觸發(fā)CC2530中斷，CC2530進(jìn)入中斷服務(wù)程序，回調(diào)函數(shù)識別電能脈沖后生成一個(gè)事件，通過操作系統(tǒng)發(fā)送給電能計(jì)量任務(wù)，并調(diào)度電能計(jì)量任務(wù)運(yùn)行，電能計(jì)量的任務(wù)事件處理函數(shù)實(shí)現(xiàn)電能的累加、存儲等。

電表校準(zhǔn)任務(wù)的功能是完成電表的校準(zhǔn)，并將相關(guān)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲在FLASH中。校準(zhǔn)任務(wù)由一個(gè)按鍵的動(dòng)作觸發(fā)，與電能計(jì)量任務(wù)相似，當(dāng)該按鍵被按下時(shí)，校準(zhǔn)任務(wù)被調(diào)度、執(zhí)行，并根據(jù)按鍵的次數(shù)確定校準(zhǔn)的步驟，并用一組LED指示校準(zhǔn)的進(jìn)程。應(yīng)用命令解釋任務(wù)的主要功能是分析、完成電網(wǎng)或用戶通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的各種命令。

下面以電能計(jì)量任務(wù)為例說明軟件設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。由于在本設(shè)計(jì)中電能的計(jì)量是對電能脈沖的計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的，而電能脈沖的表現(xiàn)形式與按鍵十分相似。以下以電能脈沖處理為例介紹其主要步驟。

1.配置電能脈沖相關(guān)的硬件

定義電能脈沖連接的IO口，電能脈沖連接在P0.7

設(shè)置為邊沿中斷在HalKeyInit(void)函數(shù)中設(shè)置電能脈沖的IO口：

2.定義回調(diào)函數(shù)，并在系統(tǒng)注冊

OnBoard_KeyCallback)，確定是否使用中斷方式以及將回調(diào)函數(shù)鏈接起來。注意在程序中每個(gè)事件的代碼必須是唯一的。

定義回調(diào)函數(shù)如下：

二、結(jié)束語

本文給出了基于ZigBee技術(shù)的智能電表的一種方案，但智能電表的研制、應(yīng)用不是孤立的，應(yīng)該是一個(gè)系統(tǒng)工程。前面說過，智能電表通過網(wǎng)關(guān)和電力公司實(shí)現(xiàn)信息的交換，網(wǎng)關(guān)在這里發(fā)揮幾個(gè)方面的作用：一方面網(wǎng)關(guān)利用以太網(wǎng)或GPRS等與電力公司建立連接；另一方面通過ZigBee與智能電表通信；同時(shí)網(wǎng)關(guān)還是用戶的一個(gè)終端，用戶可以通過它觀測自己的用電詳情，了解電力公司的最新電價(jià)、時(shí)段等信息；最后網(wǎng)關(guān)還應(yīng)是ZigBee的信任中心，負(fù)責(zé)密鑰的管理。其結(jié)構(gòu)可參考ZigBee的Smart Enegy Profiel。同時(shí)智能電表與電力公司之間的信息交換的內(nèi)容、格式、方式等還需要協(xié)調(diào)。上述這些工作都是需要進(jìn)一步研究和解決，才能使智能電表真正走向千家萬戶，使智能電網(wǎng)進(jìn)入實(shí)用。

［1］趙彤，沈新宇.智能電表的發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析[J].電力系統(tǒng)裝備，2004（4）：26-27.

［2］謝燕，謝文.智能電能表在電網(wǎng)中的應(yīng)用分析與探討[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（4）：33-35.

［3］呂治安.ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［4］高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［5］ZigBeeAlliance.ZigBeeDocument 053474r3[S].2006.