基于ZigBee 的無線電能表階梯式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

包添慶

（國網(wǎng)冀北電力有限公司玉田縣供電分公司，河北 唐山 064100）

0 引 言

ZigBee 技術是一種短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率的無線通信技術。在無線電能表數(shù)據(jù)采集中，ZigBee 技術以其低成本、高可靠性的特點得到了廣泛應用。目前，國家電價政策要求電網(wǎng)公司采用階梯式電價模式進行電能計價。階梯式電價是指將戶均用電量設置為若干個階梯分段或分檔次定價計算費用。階梯式分時電價制度是將企業(yè)電網(wǎng)24 小時計價分為3 個時段，即高峰段、平段和谷段，各段采用不同的電價，高峰時段電價最高，平段、谷段依次遞減；將居民用電分為3 個電量階梯，分別采用不同的電價收費。其目的主要是引導企業(yè)和居民在用電時自我調節(jié)用電時段、用電負荷、用電量。這種計價方式，一方面可以降低電費、節(jié)約電能，另一方面可以平衡不同時段的電網(wǎng)負荷，降低發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)壓力，提高電網(wǎng)能源利用效率。例如，河南省平頂山市電網(wǎng)公司在夏季季節(jié)性用電月份（7、8 月）針對企業(yè)用電的3 個時段按高峰價格∶平段價格∶谷段價格=1.71 ∶1 ∶0.47 進行計費，單位為元/（kW·h）；對于居民用電，則根據(jù)年用電量劃分為3 個階段進行收費，即2 160 kW·h 以下按0.56 元/（kW·h）計費，2 160 ～3 120 kW·h 按0.61 元/（kW·h），3 120 kW·h 以上按0.86 元/（kW·h）計費。而文章設計的基于ZigBee 的無線電能表階梯式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅可以根據(jù)用戶用電行為計算不同時間段和階梯段的電能消費，還可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 基于ZigBee 的無線電能表階梯式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于ZigBee 的無線電能表階梯式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用ZigBee 通信協(xié)議實現(xiàn)對電能的遠程傳輸與監(jiān)測。傳統(tǒng)的電能表需要定期前往現(xiàn)場進行抄表與收費，不僅浪費了人力資源，也存在著一定的風險。而文章提出的基于ZigBee 的無線電能表階梯式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為實現(xiàn)遠程抄表和自動計費提供了一種高效、便捷的解決方案[2]。

1.1 控制單元

可靠性是衡量基于ZigBee 的無線電能表階梯式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個重要內(nèi)容，主要包括抄表準確率、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、計費準確性等。該系統(tǒng)不僅具有階梯式分時分段計費用電量計和數(shù)據(jù)存儲功能，也具有無線抄表功能。在階梯式分時計費電能表的硬件系統(tǒng)設計中，采用AD7755 電能計量芯片，通過ZigBee 通信方式傳輸電量數(shù)據(jù)。此外，將控制器MSP430F133 模塊與該芯片進行有機結合，以簡化單相電表設計，降低生產(chǎn)成本。

1.2 模擬操作系統(tǒng)設計

電流通道ESP 模塊具備微處理器的特性，具有獨立的差分輸入通道。通過引入電能表操作系統(tǒng)，利用中斷機制，支持與微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）進行交互式通信。為順利實現(xiàn)階梯式分時計費電能表的計費功能，需要借助電流通道ESP 模塊模擬前端電流通道裝置，并構建16 位AD 轉換器和發(fā)生器裝置。該系統(tǒng)可提供2 個差分輸入電流通道和1 個差分輸入電壓通道，確保階梯式分時計費電能表具備高精度和防竊電功能。2 個電流通道在ESP 16 位AD差分輸入單元中有著對應關系，電壓通道對應的是差分單元。這種設計是為了確保電能表測量和計費的準確性，可以對比2 個電流通道的電流大小。這種檢測功能對于電能表的正常運行至關重要，因為能夠及時發(fā)現(xiàn)并防止竊電行為的發(fā)生。此外，ZigBee 技術的應用有效提高了電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1.3 測量與執(zhí)行單元

為實現(xiàn)基于ZigBee 的無線電能表階梯式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能，采用AD7755 芯片來提供精確的參考時間。在硬件系統(tǒng)設計中，AD7755 作為電能測量集成電路，滿足IEC 687/1036 標準的準確度要求。即使在500 ∶1 的動態(tài)范圍內(nèi)，誤差也小于0.1%。在通電狀態(tài)下，充電電路可以自動對可充電池進行充電處理。同時，基于ZigBee 的無線電能表階梯式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主程序操作模塊使用數(shù)字電路，執(zhí)行單元選取32 s的循環(huán)周期。

1.4 無線通信模塊

無線系統(tǒng)采用CC2530 芯片來完成數(shù)據(jù)傳輸和通信組網(wǎng)[3]。在ZigBee 階梯式分時計費電能表中，將CC2530 模塊作為串行口，與系統(tǒng)操作單元進行電能測量信息的傳輸。通信方式作為電能表的關鍵節(jié)點，在引入ZigBee 無線傳感器裝置的條件下，能夠按時將16 戶用電量信息發(fā)送至無線抄表系統(tǒng)。為滿足超低功耗需求，該電能表在空閑狀態(tài)下會切換至睡眠模式。這種設計使得階梯式分時計費電能表在滿足功能需求的同時具有高效、節(jié)能、環(huán)保的特點。在數(shù)據(jù)傳輸結構上，接入220 V 市電后，對通信局域網(wǎng)電能計量模塊進行了測試，測試結果顯示CC2530 模塊具備較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠長期穩(wěn)定運行，為電力系統(tǒng)的管理提供了有力支持。CC2530 模塊組成如圖1 所示。

圖1 CC2530 模塊組成

由圖1 可知，CC2530 模塊裝置實現(xiàn)了用電計量的無線收發(fā)功能，其內(nèi)部集成了8051 微控制器與無線收發(fā)器，可用于進一步的編程開發(fā)[3]。電能表的電源模塊選用AMS117 穩(wěn)壓芯片，為CC2530 模塊提供電壓。

2 協(xié)議棧OSAL 機制

在基于ZigBee 的無線電能表階梯式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分時計費期間，AD7755 只在模擬數(shù)字轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）和基準源中使用模擬電路，并對協(xié)議棧Z-Stack 進行移植處理[4]。協(xié)議棧中包含操作系統(tǒng)，雖然其屬于協(xié)議技術規(guī)范范疇外的內(nèi)容，但在協(xié)議棧中仍然可以發(fā)揮任務調度的目的，并作為協(xié)議棧核心內(nèi)容存在。從這一角度上來說，基于ZigBee 的階梯式分時計費電能表的測量性能是否成功，會直接受到操作系統(tǒng)抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL）機制的影響。作為任務分配資源機制，其可以構成簡單多任務的操作系統(tǒng)[5]。

2.1 提供操作系統(tǒng)支持

OSAL 機制為分時計費的基于ZigBee 的無線電能表提供了操作系統(tǒng)的支持。通過OSAL 機制，可以將電能表的硬件操作和軟件開發(fā)進行分離，使開發(fā)人員可以更加專注于應用程序的開發(fā)，無須關心底層的硬件設計細節(jié)。OSAL 機制提供了一套通用的接口和功能，包括任務管理、內(nèi)存管理、定時器及事件管理等，使開發(fā)人員可以以抽象的方式調用這些功能，無須直接與底層的硬件進行交互。

2.2 實現(xiàn)協(xié)議棧功能

協(xié)議棧是指在通信系統(tǒng)中，將各層的協(xié)議按照一定的規(guī)則組織起來，形成一個層次結構，并提供相應的接口和功能。OSAL 機制在分時計費的基于ZigBee的無線電能表中發(fā)揮著重要作用，通過提供各層協(xié)議的抽象接口，將不同層的協(xié)議封裝起來，使不同層的協(xié)議能夠協(xié)同工作，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和處理。

2.3 實現(xiàn)多任務管理

分時計費的基于ZigBee 的無線電能表要支持多種通信協(xié)議，以便與其他設備進行數(shù)據(jù)交換和通信[6-7]。OSAL 機制可實現(xiàn)對多種任務的管理，如配置寄存器、控制寄存器、屏蔽寄存器、偏移寄存器以及增益寄存器的寫入操作。此外，OSAL機制可以將設備模塊資源、內(nèi)存等納入資源初始化范疇，為實現(xiàn)智能化的用電管理提供了基礎支持。控制器工作流程如圖2 所示。

圖2 控制器工作流程

3 電能表ZigBee 階梯式電能計量測試

在復位條件下，軟件需要對ESP 模塊對應的寄存器裝置進行初始化處理，主要包括兩部分內(nèi)容。一是寄存器參數(shù)初始化處理，二是前端寄存器初始化處理。同時，采用多種方法和手段，對電能表階梯式電能計量進行測試，以確保傳輸信號的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)測試以CC2530 模塊作為平臺，在試樣中，無線網(wǎng)傳輸速率不低于375 kb/s。無線數(shù)據(jù)采集終端測試參數(shù)表1 所示。

表1 無線數(shù)據(jù)采集終端測試參數(shù)

完成無線數(shù)據(jù)采集終端測試后，將階梯式電能計量裝置從復位模式調至測量模式，測量電表參數(shù)。在規(guī)定的時間內(nèi)，全功能設備（Full Function Device，F(xiàn)FD）節(jié)點上的電能被激活，階梯式分時計費電能表主控制程序運行，能夠對各部分電路單元進行指令控制，有序完成電能計量，并對電能參數(shù)計費數(shù)據(jù)進行集中存儲與通信處理。整個階梯式分時計費電能表的資源調配、管理均在主控程序的控制下完成，主控制程序的流程如圖3 所示。

圖3 主控制程序的流程

基于ZigBee 的電能表可靠性設計研究，需要從優(yōu)化ZigBee 技術在電能表中的應用開始，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，減少由于信號弱、存在干擾或攻擊等問題導致的數(shù)據(jù)丟失或傳輸錯誤。同時，需要研究如何提高電能表對抗干擾的能力，防止惡意攻擊對ZigBee 通信造成破壞。針對電能表ZigBee通信協(xié)議，如遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrowband Internet of Things，NB-IoT）等進行比較和優(yōu)化，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃浴?/p>

4 結 論

文章采用CC2530 模塊為開發(fā)平臺，引入了基于ZigBee 的階梯式分時計費電能表裝置，以滿足電能表各類控制裝置和系統(tǒng)的要求。文章設計的基于ZigBee 的無線電能表階梯式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有低功耗和無頻段使用的優(yōu)勢，能夠準確地進行階梯式分時計費抄表和數(shù)據(jù)傳輸。在完成計費后，無線電能表數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee 階梯式傳輸，再由OSAL 機制發(fā)送到寄存器。研究結果表明，采用基于ZigBee 的無線電能表階梯式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能準確獲得電能表單元模塊的可靠度，實現(xiàn)簡單且準確度高。此外，該裝置能夠快速準確地將采集的數(shù)據(jù)上傳至計算機，實時監(jiān)測并收取用電費用。