基于ZigBee的微功率無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李永尚

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

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基于ZigBee的微功率無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李永尚

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

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)。

ZigBee協(xié)議；無線抄表系統(tǒng)；STM32F103；CC1100E

引用格式：李永尚. 基于ZigBee的微功率無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(16)：88-90，94.

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(cuò)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(gè)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。

圖1　遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

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(gè)通用輸入輸出端口(General Purpose Input Output，GPIO)，2個(gè)串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface, SPI)，3個(gè)通用同步/異步串行接收/發(fā)送器(Universal Synchronous/ Asynchronous Receiver /Transmitter, USART)，2個(gè)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。

圖2　抄表終端硬件結(jié)構(gòu)

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。

圖3　微功率無線通信模塊硬件結(jié)構(gòu)

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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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。

圖4　周期抄表流程圖

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。

圖5　電表端應(yīng)用層工作流程圖

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(gè)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(gè)集中器，3個(gè)電表。上電后將3個(gè)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。

表1　集中器顯示抄讀信息

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)。基于ZigBee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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The design of micro power wireless meter reading system based on ZigBee

Li Yongshang

(College of Communication and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210009, China)

Aiming at the existing problems of current meter reading system such as high cost, high power consumption, smaller network size and poor anti-interference ability, this paper presents a micro power wireless meter reading system based on ZigBee protocol. The system takes STM32F103 micro controller and CC1100E wireless RF chip as the core, and gives the modularization design of the hardware and software of wireless communication module in meter node and concentrator node . The test shows that the wireless meter reading system has the advantages of low power consumption, low cost, high reliability, flexibility and scalability .

ZigBee protocol;wireless meter reading system; STM32F103;CC1100E

TN92

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.026

2016-03-31)

李永尚(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：無線移動通信。