摘 要： 討論了無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，介紹了低壓電力采集終端的整體結(jié)構(gòu)和工作原理，以及一種基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)集抄系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。
    關(guān)鍵詞： 無(wú)線(xiàn)抄表,；采集終端；Zigbee協(xié)議,；CC2430

    目前的自動(dòng)抄表系統(tǒng),，從數(shù)據(jù)傳輸角度可分為有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)兩大類(lèi),，這兩大類(lèi)抄表系統(tǒng)各有其適用的應(yīng)用領(lǐng)域,，但就抄表系統(tǒng)的投資、建設(shè),、維護(hù)等方面,，無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)顯然具有更大優(yōu)勢(shì)。綜觀國(guó)內(nèi)外無(wú)線(xiàn)抄表產(chǎn)品,，除2006年法國(guó)公司在東歐建立的首個(gè)大規(guī)模抄表系統(tǒng)外,，還沒(méi)有其他系統(tǒng)可以大規(guī)模應(yīng)用于居民小區(qū)，大部分只是前期試點(diǎn),，部分產(chǎn)品還沒(méi)有應(yīng)用在實(shí)際生活中^[1],。
    無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)不但要完成新的數(shù)據(jù)采集,，而且還要保證數(shù)據(jù)的可靠性。所以通信過(guò)程的可靠性和有效性是整個(gè)抄表系統(tǒng)的重要質(zhì)量指標(biāo),，關(guān)系到系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行,。本文分析了無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，介紹了低壓電力集抄系統(tǒng)采集終端的整體結(jié)構(gòu)和工作原理,，以及一種基于Zigbee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集終端硬軟件設(shè)計(jì)。
1 低壓電力無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
　　某公司致力于電能計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),，該公司現(xiàn)有的電力載波遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)有2種方案：(1)全載波方案,。系統(tǒng)由后臺(tái)軟件、集中器和表計(jì)部分組成,。(2)半載波方案,。系統(tǒng)由后臺(tái)軟件、集中器,、現(xiàn)場(chǎng)采集終端和表計(jì)部分組成,，集中器上行與后臺(tái)通信，通道方式包括：GPRS/CDMA,、電話(huà)線(xiàn),、GSM等。方案(1)中,，集中器下行與表計(jì)通信,，通道方式主要采用低壓電力載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。方案(2)中,集中器下行與采集終端通信,，通道方式采用低壓電力載波方式,；采集終端和表計(jì)通信通道采用RS-485方式。圖1為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DL/T 698-1999中規(guī)定的低壓電力用戶(hù)集中抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu),。

    低功率無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)與電力載波抄表系統(tǒng)具有相似的系統(tǒng)架構(gòu)：集中器的上行通道都采用撥號(hào)網(wǎng)/專(zhuān)用網(wǎng)/GPRS/CDMA等網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸,，采集器的下行通道采用RS 485總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的讀取。它們的區(qū)別在于集中器的下行信道和采集器的上行信道的不同,，電力載波抄表系統(tǒng)以電力線(xiàn)為信道載體傳輸數(shù)據(jù),，而無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)則以無(wú)線(xiàn)信道傳輸數(shù)據(jù)。
    本文中,，在集中器,、現(xiàn)場(chǎng)采集終端或表計(jì)中分別集成無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，將電表數(shù)據(jù)采集的電力載波方案改成無(wú)線(xiàn)通道方案,。這樣,，與2種電力載波集抄系統(tǒng)相應(yīng)的無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)則可以被稱(chēng)為全無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)和半無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)。通常在一個(gè)小區(qū)中使用星型網(wǎng)絡(luò)即可形成一個(gè)由中心節(jié)點(diǎn)(集中器)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)(表計(jì)或現(xiàn)場(chǎng)采集終端)組成的無(wú)線(xiàn)抄表網(wǎng)絡(luò),?？紤]到小區(qū)內(nèi)有的終端節(jié)點(diǎn)離中心節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn),，數(shù)據(jù)傳輸可靠性低，因此采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),。多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò),，將采集到的數(shù)據(jù)以多跳的方式發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)中，由中心節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳送,。
2 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端硬件設(shè)計(jì)
2.1  數(shù)據(jù)采集終端
    采集終端是自動(dòng)抄表系統(tǒng)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的低端設(shè)備,，它主要負(fù)責(zé)對(duì)單個(gè)電表的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且將每個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ),，當(dāng)接收到集中器的命令時(shí),，將用戶(hù)數(shù)據(jù)發(fā)給集中器。如果為每個(gè)電能表都配備1個(gè)數(shù)據(jù)采集器,，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、成本高。因此,，要求每個(gè)采集器可采集多個(gè)電能表的電量數(shù)據(jù),，并把統(tǒng)計(jì)的電量保存到相應(yīng)的存儲(chǔ)器空間，方便集中器進(jìn)行抄讀和控制,。
    本文設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)采集終端基于Chipon公司的Zigbee SoC解決方案,，采用低功耗的CC2430-F128無(wú)線(xiàn)通信芯片。采集終端的下行通道采用RS-485總線(xiàn)與多臺(tái)電能表連接,，用于電能表的數(shù)據(jù)采集和對(duì)電能表的通斷電控制,。采集器的上行通道采用Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，每個(gè)采集終端都作為Zigbee網(wǎng)絡(luò)的1個(gè)終端節(jié)點(diǎn),，多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)集中器組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),，采集終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳,。圖2 所示為本文設(shè)計(jì)的低壓電力無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu),。

2.2  采集終端硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。它實(shí)現(xiàn)的功能是與外界的通信和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),，其結(jié)構(gòu)主要包括：CC2430-F128無(wú)線(xiàn)單片機(jī),、電源單元、485通信單元,、紅外通信單元,、狀態(tài)指示單元。電源單元電路用于為其他各單元供電,；采集終端利用485通信單元連接多個(gè)電能表,，組成485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表的控制和電能表數(shù)據(jù)的抄讀,。該單元使其采集終端適合應(yīng)用在帶有RS-485接口的多功能電能表的場(chǎng)合,；紅外通信單元用于實(shí)現(xiàn)采集終端的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)的半自動(dòng)化抄讀,，用于解決無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)讀取采集終端數(shù)據(jù)的情況；狀態(tài)指示單元用于指示采集終端的組網(wǎng),、通信等各種工作狀態(tài),。

    指示燈及電源電路如圖4所示，RS-485通信單元如圖5所示,。

    CC2430-F128及其外圍電路如圖6所示,。CC2430-F128無(wú)線(xiàn)單片機(jī)是采集終端的的核心單元，它在單個(gè)芯片上整合了Zigbee射頻(RF)前端,、內(nèi)存和微控制器,。CC2430-F128芯片是Chipcon公司生產(chǎn)的首款符合Zigbee技術(shù)的2.4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片，適用于各種Zigbee或類(lèi)似Zigbee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),，包括調(diào)諧器、路由器和終端設(shè)備,。它使用1個(gè)8 位MCU(8051),，具有128 KB 可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),、幾個(gè)定時(shí)器(timer),、AES128 協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog timer),、32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器,、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測(cè)電路(Brown out detection)以及21個(gè)可編程I/O 引腳,。Zigbee采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),，利用全球共用的公共頻率2.4 GHz。應(yīng)用于監(jiān)視,、控制網(wǎng)絡(luò)時(shí),，CC2430-F128具有非常顯著的低成本、低耗電,、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多,、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，目前被視為替代有線(xiàn)監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一,。CC2430-F128中運(yùn)行Zigbee協(xié)議棧,，在協(xié)議棧的應(yīng)用層中添加抄表系統(tǒng)的應(yīng)用程序，應(yīng)用程序初始化過(guò)程中完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化,、查表等功能,，根據(jù)電能表通信協(xié)議，周期性地讀取電能表數(shù)據(jù),，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中,。響應(yīng)來(lái)自集中器的指令,，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能表的控制或發(fā)送電表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中以多跳的方式向集中器傳送,。

3 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1  Zigbee協(xié)議棧
    Zigbee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(xiàn)通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制,、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng),。Zigbee標(biāo)準(zhǔn)基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能,，支持3種主要的自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型：星型結(jié)構(gòu),、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性,。自動(dòng)抄表是Zigbee聯(lián)盟選定的3個(gè)主要應(yīng)用目標(biāo)之一。采用Zigbee技術(shù)與Internet/GPRS/CDMA技術(shù)結(jié)合,，可以為電表的無(wú)線(xiàn)抄表提供很好的解決方案,。TI公司已經(jīng)免費(fèi)提供Zigbee協(xié)議棧，在協(xié)議棧的應(yīng)用層中加入電能表數(shù)據(jù)采集及管理功能,，就可以搭建一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)電能表數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò),。電能表的數(shù)據(jù)采集程序是指采集終端根據(jù)電能表通信規(guī)約，周期性地讀取電能表的數(shù)據(jù),。管理功能包括電表數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),、采集終端的自動(dòng)查表、紅外通信的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取,、處理來(lái)自集中器的指令和向集中器的數(shù)據(jù)發(fā)送管理等,。
3.2 采集終端自動(dòng)查表功能
    自動(dòng)查表功能，就是利用計(jì)算機(jī)的人工智能技術(shù),，自動(dòng)搜索電表地址,，并自動(dòng)配置在采集器、集中器以及抄表中心的上位機(jī)軟件中,，使得系統(tǒng)在設(shè)備安裝,、更換時(shí)的參數(shù)配置完全不需要人工干預(yù)，自動(dòng)完成系統(tǒng)中的設(shè)備檔案管理功能,。
    早期的低壓居民集中抄表系統(tǒng)在安裝調(diào)試時(shí),，首先由技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)排查，對(duì)每個(gè)集中器,、采集器下安裝的所有電表的通信地址進(jìn)行人工統(tǒng)計(jì),，然后再在抄表中心的上位機(jī)軟件中進(jìn)行檔案錄入,，最后還要逐一對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的采集器、集中器進(jìn)行電表通信地址參數(shù)配置,。除調(diào)試時(shí)工作非常繁瑣,、耗力耗時(shí)外，運(yùn)行中換表操作時(shí)仍需大量的人工干預(yù),，使低壓居民集中抄表系統(tǒng)應(yīng)用的難度大,、成本高。
    本文設(shè)計(jì)的采集終端中,，在Zigbee協(xié)議棧應(yīng)用層添加自動(dòng)查表功能,，每個(gè)采集器與其下接電表組成一組，使多個(gè)采集器可以多組同時(shí)找表,。采集器與電表之間通過(guò)RS-485通道,，按部頒規(guī)約交換數(shù)據(jù)，采集器采用哈希算法對(duì)其下接電表地址進(jìn)行壓縮編碼,，將完整的電表地址映射到有限的特征值范圍內(nèi),，搜尋采集器下接的所有電表地址。
3.3  數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約
    采集終端與電能表的數(shù)據(jù)交換采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《多功能電能表通信協(xié)議》DL/T645-2007：采集終端上行與集中器的的數(shù)據(jù)交換中,，集中器為主站、采集終端為從站,，采集終端下行與多個(gè)電能表之間的數(shù)據(jù)交換中,，采集終端為主站，多功能電能表為從站,。該協(xié)議格式為主-從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式,。每個(gè)采集器及多功能電能表均有各自的地址編碼，通信鏈路的建立與解除均由主站發(fā)出的信息幀來(lái)控制,。每幀由幀起始符,、從站地址域、控制碼,、數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度,、數(shù)據(jù)域、幀信息縱向校驗(yàn)碼及結(jié)束符7個(gè)域組成,，每部分由若干字節(jié)組成,。
    本文介紹了一種基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)集抄系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端，由于CC2430模塊豐富的片上外圍功能,，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì),，以及其超低的功耗模式，從而降低了成本,，提高了運(yùn)行的可靠性,。

參考文獻(xiàn)
[1] 陳立萬(wàn),，汪宋良.無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)低功耗控制電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(8)：1198-1203.
[2] 許晶菁,，曾國(guó)宏,，張佳基.基于PL3200的自動(dòng)抄表系統(tǒng)采集器的設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2006(7)：84-86.
[3] Chipcon公司.CC2430 Datasheef[EB/OL].2005.
[4] 中華人民共和國(guó)國(guó)家和發(fā)展改革委員會(huì).DL/T645-2007多功能電能表通信協(xié)議[S].2007.
[5] 國(guó)家電網(wǎng)公司.Q/GDW 130-2005電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約[S].2005.
[6] Zigbee Specification 2006[EB/OL].2006.
[7] 中華人民共和國(guó)電力行業(yè)電測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).DL/T 698-1999低壓電力用戶(hù)集中抄表系統(tǒng)技術(shù)條件[S].1999.