基于ZigBee的電能無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

唐明軍++潘建華

摘 要：針對(duì)ZigBee技術(shù)在無線抄表系統(tǒng)的應(yīng)用，研究并設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的電能無線抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)以主控芯片CC2530、電能計(jì)量芯片RN8209G為核心構(gòu)建了一款新型智能電表，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電能數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)量、存儲(chǔ)，同時(shí)通過ZigBee無線通信模塊將采集到的電能信息發(fā)送到ZigBee數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器再利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到抄送中心，從而實(shí)現(xiàn)電能無線自動(dòng)抄表。測(cè)試表明，系統(tǒng)組網(wǎng)簡(jiǎn)單、計(jì)量精度高、穩(wěn)定性好、易于維護(hù)，能夠滿足電能自動(dòng)抄表的要求。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；無線抄表；GPRS；智能電表

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）11-00-02

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是智能電網(wǎng)國(guó)家戰(zhàn)略的推進(jìn)，基于無線傳輸?shù)淖詣?dòng)抄表方式已逐步成為電能抄表的主要發(fā)展趨勢(shì)。目前，無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)有基于GSM、GPRS和紅外線、藍(lán)牙、ZigBee技術(shù)等無線通訊手段，建立在IEEE802.15.4無線通信標(biāo)準(zhǔn)上的ZigBee技術(shù)，使用國(guó)際通用免費(fèi)頻段，具有自組織網(wǎng)、開發(fā)使用簡(jiǎn)單、功耗成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高等特點(diǎn)[1]。本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式技術(shù)、ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)的電能無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)，并采用低成本低功耗的ZigBee芯片CC2530完成抄表功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

電能無線抄表系統(tǒng)主要由采集終端（智能電表）、ZigBee采集器、數(shù)據(jù)集中器、集抄中心、無線通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成。智能電表實(shí)時(shí)采集電能數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)定期將數(shù)據(jù)上傳到ZigBee采集器，再次通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)集中器，然后通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端集抄中心，實(shí)現(xiàn)電能遠(yuǎn)程無線集中抄送。其中，ZigBee采集器按照系統(tǒng)要求定期采集智能電表中的電能數(shù)據(jù)，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將電能數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)集中器。當(dāng)各智能電表分布距離較遠(yuǎn)時(shí)，ZigBee采集器相當(dāng)于路由器，智能電表即作為路由器設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中起路由和允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的功能[2]。數(shù)據(jù)集中器相當(dāng)于協(xié)調(diào)器，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯總處理所有電能數(shù)據(jù)信息，并負(fù)責(zé)啟動(dòng)和配置整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。基于ZigBee的電能無線抄表系統(tǒng)方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 智能電表硬件電路組成

本系統(tǒng)智能電表主要由CC2530主控芯片、RN8209電能計(jì)量芯片、電源電路、電流/電壓采樣電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、LCD顯示電路、功能按鍵電路、通信接口電路等部分組成。RN8209實(shí)時(shí)采樣電能數(shù)據(jù)，通過SPI串口與CC2530主控芯片進(jìn)行通信，完成電能的計(jì)量。CC2530主控芯片協(xié)調(diào)控制各功能電路，實(shí)現(xiàn)智能電能表電能計(jì)量、信息存儲(chǔ)及處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖1 基于ZigBee的電能無線抄表系統(tǒng)原理圖

圖2 單相費(fèi)控智能電能表結(jié)構(gòu)框圖

為提高電能表的計(jì)量精度，本設(shè)計(jì)對(duì)分流器電流采樣電路進(jìn)行改進(jìn)研究，具體的改進(jìn)電路如圖3所示。在低通濾波器前加裝一個(gè)4通道雙向模擬開關(guān)芯片。K1、K3的控制端相連，接收MCU的一個(gè)I/O口控制信號(hào)以控制通斷；K2、K4的控制端相連，接收MCU的另一個(gè)I/O口控制信號(hào)以控制通斷。

（1）當(dāng)電流小于Ith時(shí)，MCU控制K2和K4的I/O輸出低電平，K2和K4處于斷開狀態(tài)，電流采集與原電路相近。

（2）當(dāng)電流大于Ith時(shí)，MCU控制K2和K4的I/O輸出高電平，K2和K4處于閉合狀態(tài)。

采集單元差分放大器采集的電壓為R1和R2的輸入端電壓，即K2和K4兩端的電壓，由于K1、K2、K3和K4的導(dǎo)通電阻相等，而且溫度改變時(shí)也保持相等，因此無論何種溫度情況下取樣電壓確保為分流器采集電壓的0.5倍，MCU只要知道此時(shí)采集電壓為0.5倍并進(jìn)行相應(yīng)放大處理即可。

圖3 分流器高精度電流采樣改進(jìn)電路

2.2 數(shù)據(jù)集中器電路設(shè)計(jì)

為了和終端節(jié)點(diǎn)相匹配，本系統(tǒng)集中器的設(shè)計(jì)同樣選用TI公司的CC2530主控芯片，為擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，在CC2530主控芯片的基礎(chǔ)上外加射頻前端芯片CC2591[3]。

2.3 GPRS傳輸模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用傳輸距離遠(yuǎn)、環(huán)境適應(yīng)性好、實(shí)時(shí)在線的GPRS作為通信網(wǎng)絡(luò)，選擇WG-8010-232 GPRS DTU模塊為其相應(yīng)的硬件模塊，將現(xiàn)場(chǎng)采集到的電量信息發(fā)送至服務(wù)器端。DTU端與服務(wù)器端的通信過程和其間的協(xié)議轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。

圖4 DTU端與服務(wù)器端通信協(xié)議轉(zhuǎn)換圖

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 智能電表的軟件設(shè)計(jì)

智能電表的軟件設(shè)計(jì)主要包括智能電表的初始化、電表數(shù)據(jù)的采樣與計(jì)量、電表數(shù)據(jù)的顯示、電表的數(shù)據(jù)傳輸。具體主程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)主要包括ZigBee采集器軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)集中器軟件設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)集中器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)組建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送同步信息、接收ZigBee采集器的數(shù)據(jù)并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至集抄中心[4]。數(shù)據(jù)集中器軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖5智能電表主程序設(shè)計(jì)流程圖 圖6 數(shù)據(jù)集中器軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

按照系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，本文選配了智能電表、ZigBee模塊、個(gè)人計(jì)算機(jī)等主要功能模塊，搭建了系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺(tái)，具體硬件開發(fā)平臺(tái)見圖7所示。運(yùn)用Delphi語言開發(fā)了電能監(jiān)測(cè)管理軟件，具體界面如圖8所示。系統(tǒng)重點(diǎn)對(duì)Zigbee集中器抄表網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所列。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的電能無線抄表系統(tǒng)，以嵌入主控芯片CC2530的無線智能電表為終端，充分利用了ZigBee技術(shù)與GPRS無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電能遠(yuǎn)程無線自動(dòng)抄表，為居民小區(qū)、學(xué)生公寓等區(qū)域的電能無線抄表提供了一種可行、適用、成本相對(duì)較低的解決方案。

參考文獻(xiàn)

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