嵌入式無線抄表系統數據集中器的設計

張鵬軍

摘要：現代生活中，水表、電表和煤氣表的抄錄和收費，是城市生活的一個大問題。人工入室抄表，擾民不說，還可能給居民帶來不安全因素。近年來，信息化社會在逐步改變人們的生活方式與工作習慣的同時，也對一些傳統的理念提出了挑戰。隨著自動化和測量技術的飛速發展，小區智能化的提高，人們在工作、生活、家居條件的智能化水平越來越高，將室內計量儀表中數據自動抄收己逐漸成為人們追求的目標。

關鍵詞：無線抄表系統; ZigBee; 集中器

傳統抄表方式需要一家一戶的上門抄寫用電數據，然后計算用電負荷及用電費用。人工操作雖然容易實現和管理，但是不可避免地也會遇到很多問題，如效率低下，工作人員數量需求大，工作量多，完成的任務卻有限;錯誤率高，人工操作往往存在很多漏洞，使用戶或電力公司遭受巨大的損失;難以監控，對偷電、漏電現象，很難采取有效的方法進行監控、取證;顯然，上述弊端使得人工抄表管理模式不能適應電力體制的改革，也直接阻礙了諸如分時電價運營、預支電費等先進管理模式的推行。采用ZigBee技術可以很好地解決下段信道的供電效益問題，無線抄表技術能夠更好地為廣大用戶提供服務。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，是一組基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的有抄表終端分布較密集、距離較近的情況，基于Zig2Bee的無線組網能很好地解決自動抄表系統下段信道出現的問題。

1總體設計方案

抄表系統整體采用分布式體系結構，用電管理中心與集中器之間（上層）數據的采集采用星型結構;集中器與采集器之間（下層）數據的采集采用總線型結構。無線抄表系統總體結構如圖1所示。

上層通信以電力局中心的系統主站為中心，通過GPRS網絡與分散于各物業小區的集中器連接，形成1對n的連接形式，實現集中器和數據中心系統的實時在線連接;下層通信包括集中器對電表參數的采集、存儲、轉發，以及轉發上位機下達的指令和對電表進行控制操作等。出于成本與通信可靠性的考慮，設計了采集器。每棟居民樓設置一個采集器，電表通過RS-485總線或者電力線載波與采集器進行通信，采集器通過天線與小區中心的集中器進行通信。

2集中器硬件設計

該系統的集中器采用無線方式傳輸數據，是整個系統的核心。集中器的主要功能有：

①執行協議轉換功能，負責ZigBee通信協議與GPRS通信協議之間的轉換;

②承擔存儲、轉發和遇錯重發（ARQ）功能;

③對用戶提供透明連接;

④通信過程使用密匙校驗;

無線數據集中器主要由無線數傳模塊（包括ZigBee模塊和GPRS模塊）、外部存儲單元、本地通信接口、微處理器（MCU）、電源模塊和時鐘單元組成。

2.1控制芯片的選擇

集中器控制芯片采用Microchip公司生產的增強型44引腳TQFP封裝閃存8位單片機PIC18F4620芯片，其特點如下：

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40MHz，21bit程序計數器，可以對2MB的程序存儲器空間進行尋址，帶有64KB的閃存;

③3個可編程外部中斷;

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增強型可尋址USART模塊，支持RS-485、RS-232和LIN1.2;

⑥最多兩個捕捉/比較/PWM（CCP）模塊，其中一個模塊具有自動關閉功能;

⑦具有自動關閉、重啟和波特率自動檢測功能;

⑧最多13路通道的10bitA/D轉換器模塊;

⑨可編程16級高/低壓檢測模塊;

⑩8×8單周期硬件乘法器，2.0～5.5V寬工作電壓范圍;

PIC18F4620片內FlashROM用于存儲應用程序、通信協議;UART接口連接GPRS無線通信模塊;SPI接口連接ZigBee無線通信模塊;10bitA/D轉換器實現電池電壓檢測、模擬量輸入;其余的通用I/O端口分別實現集中器的各種控制和傳輸功能。

2.2ZigBee無線模塊的設計

CC2420無線收發芯片是一個2.4GHz射頻收發芯片 ，具有低功耗特性，接收器采用低～中頻變頻接收，發射器采用直接變頻發射。CC2420的性能超過了IEEE802.15.4標準中要求的性能指標，可以確保長距離、有效、可靠的通信。ZigBee收發模塊由CC2420芯片和2.4GHz射頻天線以及相應的阻抗匹配電路組成。芯片外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和單片機接口電路3部分。電路采用16MHz無源晶振，其負載電容值約為27pF。射頻輸入/輸出匹配電路用來匹配芯片的射頻輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50Ω，同時為芯片內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PIC18F4620連接，實現芯片工作模式的設置，并實現讀/寫緩存數據和讀/寫狀態寄存器。從天線接收到的射頻信號首先經過低噪聲放大器和正交下變頻到2MHz的中頻信號，該混合I/Q信號經過濾波、放大，再通過A/D轉換器轉變成數字信號。后經自動增益控制、數字解調和解擴，最終恢復出傳輸的正確數據。發射機部分采用直接上變頻。

2.3GPRS模塊設計

GPRS采用的MC35模塊主要由射頻天線、內部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個40引腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當于一個協議處理器，用來處理外部系統通過串口發送的AT指令。射頻天線部分主要實現信號的調制和解調，以及外部射頻信號與內部基帶處理器之間的信號轉換。

3集中器軟件設計

完整的ZigBee協議棧自上而下由應用層、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。Microchip的協議棧根據ZigBee規范的定義來給邏輯分層。

用戶應用程序總是與應用編程支持層（APS）和應用層（APL）交互。每層的API都是簡單的C語言宏，調用下一層的函數。該方法可以避免與模塊化相關的典型開銷。APL模塊提供高級協議棧管理功能。用戶應用程序使用APL模塊來管理協議棧功能。zAPL.c文件實現了APL邏輯，而zAPL.h文件定義APL模塊支持的API。用戶應用程序將包含zAPL.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格式。數據幀由數據模式、目標地址、數據長度、數據信息與校驗和5部分構成。

待發送的數據先被送入256Byte的發送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動產生的。根據IEEE802.15.4標準，所要發送的數據流的每4bit被32碼片的擴頻序列擴頻后送到D/A轉換器。然后，經過低通濾波和上變頻的混頻后被調制到2.4GHz，并經放大后送到天線發射出去。

3.2軟件實現方案

集中器對電表的操作通常是每幀只針對一個電表，故集中器在收到主控計算機下發命令幀后，要將數據幀進行拆分，轉換成與電表交互的命令格式。

集中器軟件進程啟動后，首先進行初始化工作。初始化成功后，啟動GPRS模塊進行工作。對于主控計算機下發的命令幀，由于數據量過大或故障造成延緩，集中器可能無法及時應答，造成主控計算機連接失敗。為了解決這個問題，抄表前先接收主站命令，將集中器在運行中的數據記錄到數據文件中，遇到通信異常時從數據文件中恢復現場數據，創建一個循環隊列來存儲主控計算機下發的命令幀和發送端口號，并按照對應的主控計算機的端口回傳應答數據。集中器每次下達命令后可以立即接收到電表的回應。如果因意外不能收到回應，集中器將重發命令。如果4次重發均未收到回答或回答不正確，則按故障處理。集中器每隔10min對每個電表的運行狀態進行一次檢測，根據電表回傳數據判斷電表狀態是否正常。若工作不正常，則進行相應處理，并上報主控計算機。

4結語

采用ZigBee無線組網技術，結合GPRS網絡組建了一個無線傳輸信道，縮短了單段的傳輸距離，削弱了信道衰減與干擾的影響，提高了信道傳輸的穩定性。該無線抄表系統具有以下優點：①電表抄錄數據及時、準確，系統的傳輸容量大。②可對電表設備進行遠程控制、參數調整、開關等控制操作。③安裝、維護方便，不需要進行專門布線。④集中抄表范圍廣，GPRS網絡覆蓋范圍廣，ZigBee技術使擴容無限制。實際應用中，根據抄表用戶的不同分布，可靈活地構建抄表的無線網絡。甚至可以將ZigBee無線模塊集成到電能表、水表和燃氣表中，從而完全實現居民區集中抄表、不用布線、快速組網，而且可以三表統一抄收。

參考文獻

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[2]IEEE802.15.4Standard[S/OL].http：//www.zig2bee.org.

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