0 引言
隨著城市居民住宅建設(shè)日益發(fā)展，獨(dú)立電能表數(shù)量迅速增多，抄表計(jì)量也日趨復(fù)雜。近年來用電形勢(shì)越來越緊張，分時(shí)電價(jià)已勢(shì)在必行。由于長(zhǎng)距離室內(nèi)外的布線存在著短路、斷線隱患，錯(cuò)綜復(fù)雜的線路使系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)困難重重，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中抄表方式已不能滿足電力公司日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求。采用ZigBee無(wú)線模塊可以很好地解決下段信道的供電效益問題，ZigBee無(wú)線數(shù)傳抄表技術(shù)能夠更好地為廣大用戶提供服務(wù)。
ZigBee技術(shù)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)，是一組基于IEEE 802．15．4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)。它支持3種主要的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)?？捎啥嗟?span lang="EN-US">65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾千米。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)76．8 kb／s。
GPRS(通用無(wú)線分組業(yè)務(wù))技術(shù)是在現(xiàn)有的GsM網(wǎng)絡(luò)上增加的一種新型分組數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具有永久在線、快速登錄、高速傳輸、按量計(jì)費(fèi)、自動(dòng)切換、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)有的GPRS實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率約為40 kb／s。
本文采用ZigBee無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)底層采集器與集中器間的數(shù)據(jù)通信，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集中器與抄表中心之問的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于居民小區(qū)抄表終端分布較密集、距離較近的情況，基于ZigBee無(wú)線模塊組網(wǎng)能很好地解決自動(dòng)抄表系統(tǒng)下段信道出現(xiàn)的問題。
l 總體方案
抄表系統(tǒng)整體采用分布式體系結(jié)構(gòu)，用電管理中心與集中器之問(上層)數(shù)據(jù)的采集采用星型結(jié)構(gòu)；集中器與采集器之間(下層)的ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)采集采用總線型結(jié)構(gòu)。無(wú)線抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖l所示。
圖l 無(wú)線抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
上層通信以電力局中心的系統(tǒng)主站為中心，通過中國(guó)移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)與分散于各物業(yè)小區(qū)的集中器連接，形成1對(duì)n的連接形式，實(shí)現(xiàn)集中器和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線連接；下層通信包括集中器對(duì)電表參數(shù)的采集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)，以及轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)下達(dá)的指令和對(duì)電表進(jìn)行控制操作等。出于成本與通信可靠性的考慮，設(shè)計(jì)了采集器(圖l中的ZigBee無(wú)線抄表終端)。每棟居民樓沒置一個(gè)采集器，電表通過RS-485總線或者電力線載波與采集器進(jìn)行通信，采集器通過天線與小區(qū)中心的集中器進(jìn)行通信。
2集中器硬件設(shè)計(jì)
在整個(gè)系統(tǒng)中，集中器處于信息傳遞通路的中間位置。該系統(tǒng)的集中器采用無(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。集中器的主要功能有：
(1)執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，負(fù)責(zé)ZigBee通信協(xié)議與GPRS通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。
(2)承擔(dān)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)和遇錯(cuò)重發(fā)(ARQ)功能。
(3)對(duì)用戶提供透明連接。
(4)通信過程使用密匙校驗(yàn)。
無(wú)線數(shù)據(jù)集中器主要由無(wú)線ZigBee數(shù)傳模塊(包括ZigBee模塊和GPRS模塊)、外部存儲(chǔ)單元、本地通信接口、微處理器(MCU)、電源模塊和時(shí)鐘單元組成。集中器硬件框圖如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)集中器硬件框圖
2．1控制芯片的選擇
集中器控制芯片采用Microchip公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型44引腳TQFP封裝閃存8位單片機(jī)PICl8F4620芯片，其特點(diǎn)如下：
(1)具有4種晶振模式，3種類別功耗管理模式。
(2)頻率最高為40 MHz，21 bit程序計(jì)數(shù)器，可以對(duì)2 MB的程序存儲(chǔ)器空間進(jìn)行尋址，帶有64 KB的閃存。
(3)3個(gè)可編程外部中斷。
(4)主同步串行口模塊。支持3線SPI(4種模式)和I2C主／從模式。
(5)增強(qiáng)型可尋址USART模塊，支持RS-485、RS-232和LIN1．2。
(6)最多兩個(gè)捕捉／比較／PWM(CCP)模塊，其中一個(gè)模塊具有自動(dòng)關(guān)閉功能。
(7)具有自動(dòng)關(guān)閉、白動(dòng)重啟和波特率自動(dòng)檢測(cè)功能。
(8)最多13路通道的10 bit A／D轉(zhuǎn)換器模塊。
(9)可編程16級(jí)高／低壓檢測(cè)模塊。
(10)8×8單周期硬件乘法器。
(11)2．O-5．5 v寬工作電壓范圍。
PICl8F4620片內(nèi)nash ROM用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序、通信協(xié)議；UART接口連接GPRS無(wú)線通信模塊；SPI接口連接ZigBee模塊；10 bitA／D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電池電壓檢測(cè)、模擬量輸入；其余的通用I／O端口分別實(shí)現(xiàn)集中器的各種控制和傳輸功能。
2．2 ZigBee無(wú)線模塊的設(shè)計(jì)
Chipcon公司的無(wú)線收發(fā)芯片CC2420是一個(gè)2．4 GHz射頻收發(fā)芯片，采用0．18um CMOS技術(shù)，具有低功耗特性，接收器采用低一中頻變頻接收，發(fā)射器采用直接變頻發(fā)射。CC2420的性能超過了IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)中要求的性能指標(biāo)，可以確保長(zhǎng)距離、有效、可靠的通信。ZigBee數(shù)傳模塊由CC2420芯片和2．4 GHz射頻天線以及相應(yīng)的阻抗匹配電路組成。芯片外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和單片機(jī)接口電路3部分。電路采用16 MHz無(wú)源晶振，其負(fù)載電容值約為27 pF。射頻輸入／輸出匹配電路用來匹配芯片的射頻輸／V輸出阻抗，使其輸入／輸出阻抗為50 n，同時(shí)為芯片內(nèi)部的功率放大器和低噪聲放大器提供直流偏置。CC2420芯片通過4線SPI口(SI、SO、SCLK、CSn)與PICl8F4620連接，實(shí)現(xiàn)芯片工作模式的設(shè)置，并實(shí)現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)和揍／寫狀態(tài)寄存器。
從天線接收到的射頻信號(hào)首先經(jīng)過低噪聲放大器和正交下變頻到2 MHz的中頻信號(hào)，該混合VQ信號(hào)經(jīng)過濾波、放大，再通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。后經(jīng)自動(dòng)增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴(kuò)，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。發(fā)射機(jī)部分采用直接上變頻。
2．3 GPRS模塊設(shè)計(jì)
GPRS模塊采用Siemens公司的GPRS無(wú)線通信模塊MC35。Mc35模塊主要由射頻天線、內(nèi)部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個(gè)40引腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送的AT指令。射頻天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，以及外部射頻信號(hào)與內(nèi)部基帶處理器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換。匹配電源為處理器基射頻部分提供所需的電源。
3 集中器軟件設(shè)計(jì)
集中器的通信包括兩部分:
(1)與主控計(jì)算機(jī)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與集中器進(jìn)行通信。
(2)集中器通過ZigBee無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)與抄表終端進(jìn)行通信。
其中ZigBee數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)ZigBee組網(wǎng)的關(guān)鍵。
3．1 ZigBee協(xié)議棧
完整的ZigBee協(xié)議棧自上而下由應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。
Microchip的協(xié)議棧根據(jù)ZigBee規(guī)范的定義來給邏輯分層，其架構(gòu)如圖3所示。
圖3 MicrocKp協(xié)議棧架構(gòu)
用戶應(yīng)用程序總是與應(yīng)用編程支持層(APS)和應(yīng)用層(APL)交互。每層的API都是簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言宏，調(diào)用下一層的函數(shù)。該方法可以避免與模塊化相關(guān)的典型開銷。APL模塊提供高級(jí)協(xié)議棧管理功能。用戶應(yīng)用程序使用APL模塊來管理協(xié)議棧功能。zAPL.c文件實(shí)現(xiàn)了APL邏輯．而zAPL．h文件定義APL模塊支持的API。用戶應(yīng)用程序?qū)?span lang="EN-US">APL.h頭文件來訪問其API。
集中器與采集器之間的通信采用定長(zhǎng)格式。
數(shù)據(jù)幀由數(shù)據(jù)模式、目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)信息與校驗(yàn)和5部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)幀格式
數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)都是16進(jìn)制數(shù)。待發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入256 Byte的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。根據(jù)IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4bit被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到D／A轉(zhuǎn)換器。然后，經(jīng)過低通濾和上變頻的混頻后調(diào)制到2．4 GHz，并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。
3．2軟件實(shí)現(xiàn)方案
集中器對(duì)電表的操作通常是每幀只針對(duì)一個(gè)電表，數(shù)集中器在受到主控計(jì)算機(jī)下發(fā)命令幀后，將數(shù)據(jù)幀進(jìn)行拆分，轉(zhuǎn)換成電與表交互的命令格式。集中器主程序的流程如圖5所示。
圖5 主程序流稷圖
集中器軟轉(zhuǎn)述程啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化工作。初始化完成后，啟動(dòng)GPRS模塊工作。
對(duì)于主控計(jì)算機(jī)下發(fā)的命令幀。由于數(shù)據(jù)量過太或故障造成延緩，集中器可能無(wú)法及時(shí)應(yīng)答，造成主控計(jì)算機(jī)連接失敗。為了解決這個(gè)問題，抄表前先接收主站命令，將集中器在運(yùn)行中的數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)文件中，遇到通信異常時(shí)從數(shù)據(jù)文件中恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個(gè)循環(huán)隊(duì)列來存儲(chǔ)主控計(jì)算機(jī)下發(fā)的命令幀和發(fā)送端口號(hào)，并按照對(duì)應(yīng)的主控計(jì)算機(jī)端口回傳應(yīng)答數(shù)據(jù)。集中器每次下這命令后可以立既接收到電表的回應(yīng)。如果因意外不能收到回應(yīng)，集中器將重發(fā)命令。如果4次重發(fā)均未收到回答或回答不正確，則按故障處理。集中器每隔lO ms對(duì)每個(gè)電表的運(yùn)行狀態(tài)連行一次ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)采集，根據(jù)電表回傳數(shù)據(jù)判斷電表獲態(tài)是否正常。如工作不正常，則進(jìn)行相應(yīng)處理，并上報(bào)主控計(jì)算機(jī)。
4 結(jié)語(yǔ)
采用低成本的ZigBee無(wú)線模塊組網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)組建了一個(gè)無(wú)線傳輸信道，鎖縮短了單段的傳輸距離，削弱了信遭衰減與干擾的影響，提高了信道傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
該無(wú)線抄表系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)電表抄錄數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確，系統(tǒng)的傳輸容量大。
(2)可對(duì)電表設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、參數(shù)調(diào)整、開關(guān)等控制操作。
(3)安裝、維護(hù)方便，不需要進(jìn)行專門布線。
(4)集中抄表范圍廣，GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，ZigBee無(wú)線數(shù)傳技術(shù)使擴(kuò)容無(wú)限制。