摘 要： 討論了無(wú)線抄表系統(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、無(wú)線兩大類，這兩大類抄表系統(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、電話線、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)定的低壓電力用戶集中抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
低功率無(wú)線抄表系統(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)以電力線為信道載體傳輸數(shù)據(jù)，而無(wú)線抄表系統(tǒng)則以無(wú)線信道傳輸數(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)線抄表系統(tǒng)則可以被稱為全無(wú)線抄表系統(tǒng)和半無(wú)線抄表系統(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)線抄表網(wǎng)絡(luò)。考慮到小區(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)線通信芯片。采集終端的下行通道采用RS-485總線與多臺(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或類似Zigbee的無(wú)線網(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)線網(wǎng)絡(luò)類型：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。
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