采用智能电表的居民用户无线自动抄表系统

1引言

传统的手工抄表方式费时、费力且了远程自动抄表系统。居民用户集中抄表系统在国内已发展了十多年，但目前仍未大面积推广应用。主要原因有以下几点：

(1)抄表集中器与抄表采集器间通信存在问题：①采用有线的RS-485总线或现场总线存在布线不方便、易受自然及人为因素影响且维护工作量大等缺点;②集中器与采集器间采用电力线载波通信方式，由于非线性负荷的大量使用，对电力线载波特别是扩频电力线载波信号产生负面影响，使其数据传输不稳定;③集中器与采集器间采用传统的430MHz无线通信方案，自己编制软件实现网络路由及网络组织的通信协议，其稳定性与可靠性得不到保障。

(2)试运行暴露出的技术问题，特别是系统的抗干扰问题，因后期使用的运行维护跟不上无法及时反馈到研制单位，造成系统没有及时改进完善。

ZigBee无线传感器网络通信采用免申请的2.4GHz通信频段，非路由情况下通信距离可达500m。其所采用的网络协议具有自动组织网络、自动路由、网络自愈等功能。可解决集中器与采集器间的通信问题。在设计时充分考虑硬件的电磁兼容问题、软件的容错能力，按照标准进行设计和生产，加强对试运行系统的跟踪改进，可大大提高系统运行的稳定性。

2系统结构

系统由主站及装设在居民小区的单相智能电表、采集器、路由器和集中器构成。主站与各集中器间的通信方式为GPRS。集中器与采集器间采用ZigBee无线传感器网络通信，路由器在集中器与采集器间起数据路由作用。采集器与智能电表间采用RS-485总线通信。系统结构如图1所示。

系统主站采用交换式以太网组网，可设置在小区物业管理处或电力公司大楼。主站由前置通信机、Web服务器、数据服务器、GPS卫星对时系统及工作站等构成。其中前置通信机申请配置固定IP地址，采用移动通信公司提供的2M光纤DDN专线，与GPRS网络相连。前置通信机与各集中器进行双向数据通信。前置通信机接收集中器发送的电能量及相关数据，经解析后转存入数据服务器;也可发送命令到各集中器。前置通信机还实现对各集中器的远程维护。Web服务器实现数据的网页发布，达到系统分析结果数据电力公司内共享的目的。数据服务器用于存放历史数据，并进行分析和统计。数据服务器还实现对集中器，采集器及智能电能表、居民用户等台帐的完整准确管理。工作站实现对主站系统及集中器和采集器的维护工作，也可有权限地查看、管理主站系统有关数据。GPS卫星对时系统，实现各智能电表、采集器、集中器及主站系统时间的一致性和正确性，提供电能量数据同时性的保障。

3硬件

3.1采集器硬件

采集器通过RS-485总线最多挂接32台单相智能电表。采集器实现的主要功能有：实现对智能电表的小时冻结、日冻结、月冻结和瞬时电量等数据的采集及存储;记录与各电表间的通信状态;记录各种事件;对电表进行对时;响应集中器的数据要求及参数设置命令。采集器采用Microchip公司的16位单片机PIC24FJ64GA002为CPU，扩展4M串行Flash数据存储器。采集器硬件结构如图2所示，CPU带2个UART接口，1个经RS-485接口芯片MAX1487并隔离后与智能电表通信，1个用于实现ZigBee无线传感器网络通信。CPU还外扩了掉电检测、红外接口、时钟等外围电路。ZigBee无线传感器网络通信实现的方案有：内置2.4GHz通信接口的CPU;CPU加外置2.4GHz通信接口芯片;CPU加外置2.4GHz通信接口模块等3种。3种方案均可采用ZigBee Pro协议栈构建Mesh网。前2种方案的无线通信硬件设计及通信协议栈移植等研发工作量大，需要具有高频设计方面的经验，研发周期长。采用方案3，CPU通过UART接口与ZigBee模块交换数据，无线传感器网络的组建、数据路由、网络自愈等功能由带有CPU的ZigBee模块实现。

这样采集器的软件和硬件设计就较为简单。选用Digi公司带U.F.L天线的增强型无线通信模块XBeePR0 ZB为2.4GHz无线通信接口，外接5dB全向天线。该模块具有基于Mesh网的固件XB24-ZB，支持ZigBee Pro协议栈，体积小，功能强大，性能稳定，价格适中。XBee PR0 ZB模块功耗为60mW(+18dBm)，传输距离可达500m。模块通过UART接口与采集器CPU交换数据。设计用到模块的数据输出、数据输入、状态指示以及电源引脚。

3.2集中器及路由器硬件

路由器仅由无线通信模块及电源两部分构成。考虑到通信距离问题，路由器及集中器的无线通信模块均选用增强型无线通信模块XBee Pro ZB模块，U.F.L天线，外接5dB全向天线。集中器作为系统通信管理机，要求其具有多个通信接口，其设计方案有：内置多串口的CPU;CPU加串口扩展芯片;多串口CPU模块等3种。前2种方案均需要根据应用扩展一定的存储空间，另外，集中器要求实现的功能较多，基于操作系统进行软件设计较方便且开发速度快，但对于前2种方案，均要做操作系统移植及底层驱动软件开发等工作，需耗费时间且短期内难以做到稳定可靠。综合考虑开发周期、可靠性、成本等因素，采用最后1种方案，选用Rabbit公司工业级RCM6700模块。该模块主要硬件资源有：6个高速UART接口，1个以太网口，1个USB口，1M并行程序flash，2M串行数据flash，640k快速SRAM，32个数字I/0口线，看门狗，时钟等。

集中器硬件结构如图3所示。RCM6700模块通过USB口扩展大容量存储器用于存储各智能电表的电量数据。RCM6700模块3个UART通过MAX1487芯片及PC817芯片提供3路隔离RS485通信接口，1路用于同三相智能总表通信，2路预留。模块另外3个UART，1个与XBee PR0 ZB模块通信，1个作为调试及程序下载口，1个与中兴ME3000 GPRS模块通信[10]。RCM6700模块的以太网接口预留。集中器还扩展了3路隔离开关量输入及2路隔离开关量输出。其中开关量输入用于检测计量箱门状态。