李永尚
　?。暇┼]電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,，江蘇 南京 210009）

       摘要：針對目前抄表系統(tǒng)中存在的成本高、功耗大,、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小,、抗干擾能力差等問題,，提出了一種基于ZigBee協(xié)議的微功率無線抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103微控制器和CC1100E無線射頻芯片為核心,，對網(wǎng)絡(luò)中的終端電表節(jié)點(diǎn)無線通信模塊,、集中器節(jié)點(diǎn)無線通信模塊的硬件和軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明該無線抄表系統(tǒng)具有功耗低,、成本低、可靠性高,、靈活性強(qiáng)和可擴(kuò)展性等特點(diǎn),。
　　關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議；無線抄表系統(tǒng),；STM32F103,；CC1100E　　

0引言
　　目前，我國仍有部分地區(qū)采用人工抄表的方式,，存在效率低,、成本高、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性低等缺點(diǎn),，且易發(fā)生錯抄,、漏抄等現(xiàn)象。有線自動抄表方式主要有兩種：RS485總線方式和電力線載波方式,。RS485總線方式需要大量布線,，存在空間局限性及成本高的缺點(diǎn)［13］；電力線載波抄表方式去掉額外的數(shù)據(jù)線路,，直接以低壓輸電線路為傳輸介質(zhì),因此具有安裝方便,、成本低等優(yōu)勢，但是,，電磁干擾和輸電線路負(fù)載變化都會導(dǎo)致其抗干擾能力弱,，穩(wěn)定性及可靠性較低［25］。隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展,，無線抄表方式已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用,，可有效降低成本，實(shí)時(shí),、可靠且高效地抄讀電表信息,。與紅外、藍(lán)牙,、WiFi等無線技術(shù)相比,ZigBee技術(shù)具有功耗低,、距離長、成本低,、容量大及組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),，尤其適合數(shù)據(jù)通信量小,、傳輸率低的無線抄表領(lǐng)域［47］。
　　本文實(shí)現(xiàn)了一種無線抄表系統(tǒng),，選用高性能,、低功耗的控制器和收發(fā)器，結(jié)合ZigBee協(xié)議棧對無線模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),。試驗(yàn)結(jié)果表明,，本系統(tǒng)可準(zhǔn)確抄讀電表信息，通信距離達(dá)400 m左右,，滿足一般小區(qū)抄表需求,。
1總體設(shè)計(jì)及工作原理
　　本系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)來搭建，主要由智能電表,、集中器和國家電網(wǎng)3部分組成,。其中智能電表和集中器組成抄表終端系統(tǒng)，集中器和電表都安裝了ZigBee微功率無線通信模塊,，所有模塊組成ZigBee網(wǎng)絡(luò),。集中器端無線模塊作為中樞節(jié)點(diǎn)即ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)采用指定路由方式對整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的智能電表用電信息進(jìn)行采集,，并且對ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù),，另外集中器端還安裝有GPRS模塊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與國家電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,。遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示,。
　

2硬件設(shè)計(jì)
　　集中器與智能電表都預(yù)留有USART串口以便安裝ZigBee微功率無線通信模塊，USART串口通信遵循國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),。電表端無線模塊主要功能有：采集智能電表數(shù)據(jù),、無線傳輸數(shù)據(jù)、路由轉(zhuǎn)發(fā)其他數(shù)據(jù),；集中器端無線模塊功能主要有：接收智能電表數(shù)據(jù)并處理,，通過串口傳輸數(shù)據(jù)至集中器或接收集中器命令信息，收發(fā)器發(fā)送集中器控制信息,。本設(shè)計(jì)中,，無線通信模塊圍繞高性能、低功耗的微控制器STM32F103和無線射頻芯片CC1100E進(jìn)行設(shè)計(jì),。
　　微控制器STM32F103采用ARM 32位的CortexM3 CPU,，工作頻率為72 MHz，并且外部接口豐富,，具有51個通用輸入輸出端口（General Purpose Input Output,，GPIO），2個串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface, SPI）,，3個通用同步/異步串行接收/發(fā)送器(Universal Synchronous/ Asynchronous Receiver /Transmitter, USART),，2個12位模數(shù)變換器(AnalogtoDigital Converter, ADC),。
　　CC1100E是一款適用于低功耗射頻應(yīng)用的高性能射頻收發(fā)器，常用工作頻段為470~510 MHz及950~960 MHz,。射頻性能方面,，CC1100E具有高靈敏度、低電流消耗等優(yōu)勢,；模擬特性方面,，通過與收發(fā)器集成可配置基帶調(diào)制解調(diào)器，CC1100E支持2FSK,、GFSK,、OOK及MSK等多種調(diào)制格式；數(shù)字特性方面,，CC1100E提供同步字檢測,、地址校驗(yàn),、數(shù)據(jù)包長度可變及自動 CRC 處理的片上支持,；低功耗特性方面，CC1100E在睡眠模式下電流消耗為400 nA,，從睡眠模式下喚醒快且具有自動低功耗接收輪詢無線喚醒功能,。抄表終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
　

　　集中器端及電表端采用相同的微功率無線通信模塊設(shè)計(jì),，為完成串口通信,、無線通信、系統(tǒng)管理等一系列功能,，ZigBee微功率無線通信模塊上放置有電源電路,、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路,、CC1100E射頻電路,、JTAG調(diào)試電路等各種外設(shè)電路，無線通信工作頻段為471~486 MHz,，該設(shè)計(jì)下的無線模塊具有通信距離遠(yuǎn),、通信速率高和功耗較低等優(yōu)點(diǎn)。微功率無線通信模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,。
　　

3軟件設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)采用的開發(fā)平臺是IAR Systems公司的IAR Embedded Workbench for ARM,，并利用STLINK/V2進(jìn)行程序下載和在線仿真調(diào)試。采用TI公司的ZStack協(xié)議棧,，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)抽象層任務(wù)調(diào)度,。系統(tǒng)初始化后進(jìn)入低功耗模式，事件發(fā)生時(shí)觸發(fā)中斷,，系統(tǒng)為每類事件分配優(yōu)先級,，并將事件加入到消息隊(duì)列中,。系統(tǒng)采用事件輪詢機(jī)制，查詢消息隊(duì)列中是否有未處理的事件,，如果有未處理的事件,，則按照事件優(yōu)先級調(diào)用相應(yīng)的事件處理函數(shù)進(jìn)行處理，結(jié)束系統(tǒng)將進(jìn)入低功耗模式,，有效地降低系統(tǒng)的功耗［57］,。
　　除了對ZStack協(xié)議棧的簡化設(shè)計(jì)，還需要完成集中器端和電表端的應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)部分,，實(shí)現(xiàn)整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建和控制及準(zhǔn)確,、可靠地抄讀電表數(shù)據(jù)。
　　3.1集中器端應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)
　　本抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，集中器端ZigBee微功率無線通信模塊是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器,，負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的控制和維護(hù)。所以集中器端無線模塊即協(xié)調(diào)器需要完成兩個任務(wù)：ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建與維護(hù),；與集中器信息交互和抄讀網(wǎng)絡(luò)中電表用電信息,。
　　集中器上電后，協(xié)調(diào)器將建立和啟動ZigBee網(wǎng)絡(luò),。首先,，協(xié)調(diào)器將檢測周圍無線環(huán)境并選擇合適的信道；其次,，為該網(wǎng)絡(luò)選擇一個網(wǎng)絡(luò)表示符PAN ID,，PAN ID一般選擇0x0000作為協(xié)調(diào)器的16位短地址。手動輸入網(wǎng)絡(luò)中智能電表6 B硬件地址,，集中器將啟動檔案同步過程,，即通過USART串口命令將手動輸入的電表地址加入?yún)f(xié)調(diào)器。檔案同步結(jié)束后,，集中器下發(fā)“重啟”或“恢復(fù)”命令,，從而啟動抄表流程。其中,，協(xié)調(diào)器與集中器之間的信息交互軟件設(shè)計(jì)遵循國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 1376.2-2013集中器本地通信模塊接口協(xié)議［8］,。
　　協(xié)調(diào)器根據(jù)指定路由方式和抄表方式組成無線幀向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)廣播，協(xié)調(diào)器收到電表數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理,，若電表地址不在協(xié)調(diào)器中,，則進(jìn)行檔案同步過程。若地址正確,，協(xié)調(diào)器向集中器發(fā)送上報(bào)數(shù)據(jù)請求,，得到確認(rèn)后向集中器上傳電表數(shù)據(jù)，從而可以通過電表硬件地址手動操作集中器查看電表用電信息［8］,。用電信息可通過集中器上的GPRS模塊傳輸給國家電網(wǎng)集抄中心,。周期抄表流程如圖4所示,。
　　

　　3.2電能表端軟件設(shè)計(jì)
　　電表端無線模塊接收到協(xié)調(diào)器的無線幀后進(jìn)行解析，若收到命令幀目的地址不正確,，則丟棄該幀,，否則根據(jù)無線幀內(nèi)容組成相關(guān)命令幀通過USART串口發(fā)送給電表，無線模塊獲得電表的反饋后組成無線幀發(fā)送給協(xié)調(diào)器,，另外,，載有電表用電信息的無線數(shù)據(jù)幀可通過其他電表無線模塊進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，直到無線幀到達(dá)協(xié)調(diào)器,。其中智能電表與ZigBee微功率無線通信模塊之間的信息交互遵循國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T6452007多功能電能表通信協(xié)議［9］,。電表端應(yīng)用層工作流程如圖5所示。
　　

4測試結(jié)果及分析
　　4.1發(fā)射功率測試
　　在IAR平臺上指定發(fā)射功率(CC1100E可配置輸出功率-20 dBm,、-10 dBm,、-5 dBm、0 dBm,、5 dBm,、7 dBm、10 dBm),，使用饋線連接模塊天線和頻譜分析儀,，利用仿真器下載程序和在線調(diào)試,。測試結(jié)果表明射頻功率符合技術(shù)指標(biāo)（≤17 dBm）,。
　　4.2通信距離測試
　　將10個電能表節(jié)點(diǎn)分開放置在6層樓的不同樓層，集中器放置在一樓,，通過空中抓包工具抓取無線幀并發(fā)送給計(jì)算機(jī),。通過計(jì)算機(jī)串口工具和集中器顯示器觀察電表數(shù)據(jù)抄讀情況，可以適當(dāng)拉大電表與集中器的距離再次試驗(yàn),。試驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)經(jīng)前置放大,，穿透樓層建筑墻面，有效傳輸距離為400 m左右,，能夠滿足一般城市小區(qū)的工作環(huán)境,。
　　4.3集中器與協(xié)調(diào)器交互過程測試
　　因?yàn)榧衅髋c協(xié)調(diào)器通過USART2進(jìn)行信息交互，可以在IAR環(huán)境下修改程序,，將經(jīng)過USART2的信息輸出到USART1,，然后連接計(jì)算機(jī)和USART1進(jìn)行觀察。測試結(jié)果表明,，交互過程符合Q/GDW 1376.22013集中器本地通信模塊接口協(xié)議,，可以有效啟動抄表流程，軟件設(shè)計(jì)能夠完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求,。
　　4.4集中器抄表數(shù)據(jù)測試
　　采用1個集中器,，3個電表,。上電后將3個電表的6 B硬件地址添加到集中器，集中器檔案同步后自動進(jìn)入周期抄表過程,。通過集中器液晶顯示器可觀察抄讀的電表數(shù)據(jù),，包括電壓、電流,、有功功率,、無功功率、上日正向有功等數(shù)據(jù),，如表1所示,，與智能電表液晶顯示數(shù)據(jù)一致，表明該系統(tǒng)抄表正常,，性能良好,。

5結(jié)論
　　ZigBee協(xié)議簡單，網(wǎng)絡(luò)無資費(fèi),，且具有自組網(wǎng),、故障自愈、容量大,、功耗低,、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)?；赯igBee技術(shù)設(shè)計(jì)的微功率無線抄表系統(tǒng),，采用高性能、低功耗的STM32F103微控制單元及CC1100E射頻芯片結(jié)合ZigBee協(xié)議架構(gòu)完成了軟硬件設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)了抄表的自動化,、智能化。若增加相應(yīng)傳感器,，可用于集中抄讀小區(qū)用戶水表,、燃?xì)獗淼龋哂袕V泛的應(yīng)用前景,。

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