基于ZigBee技术的无线抄电表系统设计

人工抄电表对于一般用户而言是可行的，然而相对于供电部门有很多不足，需要进更深层次的分析和管理也是不够。现实的需求催生着抄电表系统技术和应用不断产生。目前智能卡电表和有线自动抄电表系统都存在一定的不足和成本高的问题。随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的ZigBee技术。系统最佳的方案应当是前期投入的成本低，运行成本非常低甚至没有。由此本文提出一种基于 ZigBee技术抄电表方案。
1 ZigBee 技术特点^[2]
(1)低功耗：ZigBee技术采用了低功耗的工作模式，通常两节五号电池可以使用长达6个月到2年。
(2)可靠性高：ZigBee采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

(3)节点通信设置易于配置。
(4)成本低：ZigBee模块价格较低，且ZigBee协议是免专利费的；ZigBee的工作频段灵活，为免执照频段的2.4GHz，就是没有使用费的无线通信。

(5)网络容量大：ZigBee可以采用星型、网状、串状结构组网，而且可以通过任一节点连接组成更大的网络结构，可以连接的节点多达6500个。一个ZigBee网络可以容纳 254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。
(6)数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 AES-128同时各个
应用可以灵活确定其安全属性。
2 CC2430芯片的简介^[2]
2.1 CC2430芯片的主要特征：
(1) 高性能和低功耗的 8051微控制器核。
(2) 集成符合 IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机。
(3) 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。
(4) 在休眠模式时仅 0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统 ;在待机模式时少于0.6μ A的流耗，外部的中断能唤醒系统。
(5) 硬件支持 CSMA/CA功能。
(6) 较宽的电压范围（ 2.0～3.6 V）。
(7) 数字化的 RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。
(8) 具有电池监测和温度感测功能。
(9) 集成了 14位模数转换的 ADC。
(10) 集成 AES安全协处理器。
(11) 带有 2个强大的支持几组协议的USART，以及 1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和 2个8位计时器。
(12) 强大和灵活的开发工具。
2.2 CC2430引脚介绍

图 1为 CC2430的顶视图。其中外露的芯片安装衬垫必须连接到 PCB的接地层，芯片通过该处接地。CC2430具有CC2420RF接收器以及增强性能的 8051MCU、8KBRAM等，其增强的 8051MCU核的性能是工业标准 8051核性能的 8倍。CC2430还具备直接存储器定址（DMA）功能（它能够被用于减轻
8051微控制器内核对数据搬移，因此提高了芯片整体的性能）、可编程看门狗定时器、 AES-128安全协处理器、多达 8输入的 8-14位ADC、USART、睡眠模式定时、上电复位、掉电检测电路(Brown Out Detection)、21个可编程I/O管脚等，两个可编程的 USART用于主 /从 SPI或 UART操作。带外部功放的 CC2430参考设计可提供+10dBm的输出功率。 CC2430片上系统(SoC)由 CC2430加上 Motorola的基于 IEEE802.15.4标准的无线电定位引擎组成。CC2430芯片采用 7 mm×7mm QLP封装，共有 48个引脚(如图1所示)。全部引脚可分为 I/O 端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。

3 基于 ZigBee技术的无线抄电表系统
3.1设计的总体方案基于 ZigBee技术的无线抄电表系统如图 2所示。

各部分的主要功能如下：
（1）数据库和控制中心 : 具有建立、管理整个网络的功能，对网络进行监控；可设置定期和随机向 DCT发送数据采集命令，接受数据，并存储数据；对数据库进行管理。
（2） 工作站: 起数据上传下送的中继作用，负责启动、配置、协调整个Zigbee无线网络，可将控制中心发出的命令发给DCT，接受DCT返回的数据并通过网线并采用TCP/IP协议，把收集到的数据送至控制中心，具有存储转发的功能；每个工作站可以暂存下属 DCT的数据；可以查看用电记录、 DCT和电表状态等数据。
（3） DCT（data collection and transmission unit）:脉冲采集和无线传输部分，具有脉冲采集、存储、接受指令和发送数据的功能，接受工作站发送的指令并按指令去完成的动作。
3.2 系统功能介绍：
1. DCT采集功能：
(1) DCT电源部分：采用两节五号电池，一次更换可以维持半年至两年。
(2) DCT数据表存储器：这部分要有一定的空间存放数据，当数据量较少时，可以利用芯片的Flash存放，如果数据量较大，可以留个备用接口，可对容量进行扩展。
(3) DCT计时系统：
a．主要提供时钟进行等间隔取样和启动预设任务和程序。
b．可以通过遥控指令进行校正。
(4) DCT脉冲采集接口：与电能表相连的DCT应设一个缓冲界面，通过这个界面，可以切换到不同型号电能表，使可对多种电能表进行脉冲采集，转变为相应度数。
(5) 采集方式:可以定期采集，也可以在接到控制中心命令后进行随机采集，与电能表连接的 DCT可以随机采集脉冲。
(6) 外设接口:可以让相关人员直接用手提电脑连接控制器，进行检测和排除故障等功能。
2. 无线发送、接收功能：工作站每隔一段时间后定期实现对其范围内的采集点进行信息的传递和汇集。
(1)各个 DCT可看作节点，通过无线Zigbee逐次节点来传输信息;每个节点出现异常，都可以通过外设接口进行处理。考虑到住区范围可能大于ZigBee无线通信的距离，所以对于规模较大的区域，设置多个 DCT，把数据往上一级传送，然后送到工作站，最后到达控制中心。
(2)发送：第一个节点指向第二个节点，当第二个节点状态无效时，第一个节点指向第三个节点，以此类推；即对同伴 ID寄存器的 ID呼叫，如果A没有回答，呼叫 B；B也没有回答，呼叫 C；如果没有回答，要把状态写到状态寄存器。

(3) 第一个节点呼叫第二个节点，发送呼叫信号判断第二个 DCT状态是否有效：
a.有效：发送呼叫第一个节点传输数据的应答信号。
b.无效：发送失败应答信号、并传输第二个节点状态和第三个节点 ID给第三节点。
(4) 接收应答信号：
a.传输数据的应答信号：向第二节点传输数据。
b.失败的应答信号：当超过预定时间没有收到应答，重发；重发超过 5次，就判定失败，存储第二个节点状态，向第三节点发送呼叫信号。
(5) 接收数据：
a.误差检测。
b.出错处理。
(6) 传输数据完毕，指示该 DCT清空。
3．节点功能：
(1) 采集以及存储：通过计时器以及脉冲输入计数器记录在单位时间内的数据足够的储存空间储存未上交的数据，数据发送并得到确认后，自动清空储存空间，继续记时。

(2) 节点数据的发送：为了不引起数据传输时的数据冲突，每个节点设置不同的固定的发送时间。发送数据包括以下内容：发送源ID，数据类型，目标ID，数据/控制字段，校验字段。具有发送列表，规定出固定可能的转发对象。使用三次握手保证数据的正确传送。

(3) 节点数据的接受:节点拥有接受工作站命令以及中转其他节点信息功能，设计拓扑网络以及转发表，规定具体数据接受，转发以及抛弃。遇到堵塞节点上交异常消息。

(4) 与工作站相连的收发节点能定时发送检测信号，观察各节点运行状况，并上交具体故障点。该节点与工作站以串口方式连接。
4. 网络传输功能：控制中心能对内部局域网的所有工作站汇集信息进行 TCP/IP传输、存储。
(1)各个工作站通过局域网网络传输数据至控制中心：
a. 建立 NFS(网络文件系统)；
b. 建立主机(控制中心)、客户端(工作站)应用程序。
(2)控制中心建立数据库，存储所有工作站的信息。
5. 控制中心数据库查询功能：
(1) 查询管理：按 ID查询、出错状态查询，对数据源数据能进行动态预览。
(2) 统计功能：按照具体的条件进行统计，对统计结果能进行动态预览。
(3) 控制中心通过数据库可查询所有数据源的ID、状态和数值。
(4) 员工管理：员工信息添加、修改、删除、权限设置等。
(5) 权限管理：
a.最高权限：对数据库有全权控制，该权限无法通过网络进入，须在控制中心才能行使该职能。
b.一般权限：需验证登录，用户可通过浏览器进入控制中心浏览数据库相关记录，但不能修改。
6. 数据源状态监测：通过 4字节(32位)来实现数据点当前状态的定义。

4.结束语
本文介绍了一种基于 ZigBee技术的无线抄电表系统,该系统采用的ZigBee技术具有协议简单,成本低,传输可靠,数据安全性高，双向无线通信技术等优点。不过CC2430可能由于功率的限制，传输距离还有待提高。个人水平经验所限，还有许多可以进一步完善地方，特别是网络接口部分。
本文的创新点:实现一个能完成基本无线网络通信的系统 ,；实现单片机通过RS232接口与微机的通信，使整个无线网络的数据可以传送到微机上，并通过TCP/IP协议送到数据中心；而且该系统前期投入少，日常维护成本很低,它适合于远程无线抄电表系统。