引言

　　人工抄電表給工作人員帶來麻煩，隨著技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)人員就設(shè)計另一種更方便的電表，智能卡電表和有線自動抄電表系統(tǒng)都存在一定的不足和成本高的問題。隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的ZigBee技術(shù)。系統(tǒng)的方案應(yīng)當(dāng)是前期投入的成本低，運行成本非常低甚至沒有。由此本文提出一種基于 ZigBee技術(shù)抄電表方案。

　　1 ZigBee 技術(shù)特點

　　蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置等信息，這種肢體語言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達信息的方式。借此意義Zigbee作為新一代無線通訊技術(shù)的命名。在此之前Zigbee也被稱為“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為Zigbee。

　　簡單的說，Zigbee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。Zigbee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。

　　ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz（流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點：

　?。?） 低功耗： 由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。

　?。?） 成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5—2.5美元， 并且ZigBee協(xié)議是的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。

　?。?） 時延短： 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應(yīng)用。

　?。?） 網(wǎng)絡(luò)容量大： 一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備， 一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)， 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

　?。?） 可靠： 采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

　?。?） 安全： ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和， 采用了AES-128的加密算法，各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

　　應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

　　2 CC2430芯片的簡介

　　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標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機。

　?。?） 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。

　?。?） 在休眠模式時僅 0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng) ;在待機模式時少于0.6μ A的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。

　?。?） 硬件支持 CSMA/CA功能。

　　（6） 較寬的電壓范圍（ 2.0～3.6 V）。

　?。?） 數(shù)字化的 RSSI/LQI支持和強大的DMA功能。

　　（8） 具有電池監(jiān)測和溫度感測功能。

　　（9） 集成了 14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC。

　　（10） 集成 AES安全協(xié)處理器。

　?。?1） 帶有 2個強大的支持幾組協(xié)議的USART，以及 1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和 2個8位計時器。

　　（12） 強大和靈活的開發(fā)工具。

　　2.2 CC2430引腳介紹

　　圖 1為 CC2430的頂視圖。其中外露的芯片安裝襯墊必須連接到 PCB的接地層，芯片通過該處接地。CC2430具有CC2420RF接收器以及增強性能的 8051MCU、8KBRAM等，其增強的 8051MCU核的性能是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 8051核性能的 8倍。CC2430還具備直接存儲器定址（DMA）功能（它能夠被用于減輕

　　8051微控制器內(nèi)核對數(shù)據(jù)搬移，因此提高了芯片整體的性能）、可編程看門狗定時器、 AES-128安全協(xié)處理器、多達 8輸入的 8-14位ADC、USART、睡眠模式定時、上電復(fù)位、掉電檢測電路（Brown Out Detection）、21個可編程I/O管腳等，兩個可編程的 USART用于主 /從 SPI或 UART操作。帶外部功放的 CC2430參考設(shè)計可提供+10dBm的輸出功率。全部引腳可分為 I/O 端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。

　　3 基于 ZigBee技術(shù)的無線抄電表系統(tǒng)

　　3.1設(shè)計的總體方案基于

    ZigBee技術(shù)的無線抄電表系統(tǒng)如圖 2所示。

　　各部分的主要功能如下：

　?。?）數(shù)據(jù)庫和控制中心 : 具有建立、管理整個網(wǎng)絡(luò)的功能，對網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)控；可設(shè)置定期和隨機向 DCT發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，接受數(shù)據(jù)，并存儲數(shù)據(jù)；對數(shù)據(jù)庫進行管理。

　　（2） 工作站： 起數(shù)據(jù)上傳下送的中繼作用，負(fù)責(zé)啟動、配置、協(xié)調(diào)整個Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，可將控制中心發(fā)出的命令發(fā)給DCT，具有存儲轉(zhuǎn)發(fā)的功能；每個工作站可以暫存下屬 DCT的數(shù)據(jù)；可以查看用電記錄、 DCT和電表狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

　?。?） DCT：脈沖采集和無線傳輸部分，具有脈沖采集、存儲、接受指令和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，接受工作站發(fā)送的指令并按指令去完成的動作。

　　3.2 系統(tǒng)功能介紹：

　　1. DCT采集功能：

　　（1） DCT電源部分：采用兩節(jié)五號電池，更換可以維持半年至兩年。

　　（2） DCT數(shù)據(jù)表存儲器：這部分要有一定的空間存放數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)量較少時，可以利用芯片的Flash存放，如果數(shù)據(jù)量較大，可以留個備用接口，可對容量進行擴展。

　　（3） DCT計時系統(tǒng)：

　　a.主要提供時鐘進行等間隔取樣和啟動預(yù)設(shè)任務(wù)和程序。

　　b.可以通過遙控指令進行校正。

　?。?） DCT脈沖采集接口：與電能表相連的DCT應(yīng)設(shè)一個緩沖界面，通過這個界面，可以切換到不同型號電能表，使可對多種電能表進行脈沖采集，轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)度數(shù)。

　?。?） 采集方式：可以定期采集，也可以在接到控制中心命令后進行隨機采集，與電能表連接的 DCT可以隨機采集脈沖。

　?。?） 外設(shè)接口：可以讓相關(guān)人員直接用手提電腦連接控制器，進行檢測和排除故障等功能。

　　2. 無線發(fā)送、接收功能：工作站每隔一段時間后定期實現(xiàn)對其范圍內(nèi)的采集點進行信息的傳遞和匯集。

　?。?）各個 DCT可看作節(jié)點，通過無線Zigbee逐次節(jié)點來傳輸信息；每個節(jié)點出現(xiàn)異常，都可以通過外設(shè)接口進行處理。

　?。?）發(fā)送：個節(jié)點指向第二個節(jié)點，當(dāng)?shù)诙€節(jié)點狀態(tài)無效時，個節(jié)點指向第三個節(jié)點，以此類推；即對同伴 ID寄存器的 ID呼叫，如果A沒有回答，呼叫 B；B也沒有回答，呼叫 C；如果沒有回答，要把狀態(tài)寫到狀態(tài)寄存器。

　?。?） 個節(jié)點呼叫第二個節(jié)點，發(fā)送呼叫信號判斷第二個 DCT狀態(tài)是否有效：

　　a.有效：發(fā)送呼叫個節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號。

　　b.無效：發(fā)送失敗應(yīng)答信號、并傳輸?shù)诙€節(jié)點狀態(tài)和第三個節(jié)點 ID給第三節(jié)點。

　?。?） 接收應(yīng)答信號：

　　a.傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號：向第二節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。

　　b.失敗的應(yīng)答信號：當(dāng)超過預(yù)定時間沒有收到應(yīng)答，重發(fā)；重發(fā)超過 5次，就判定失敗，存儲第二個節(jié)點狀態(tài)，向第三節(jié)點發(fā)送呼叫信號。

　?。?） 接收數(shù)據(jù)：

　　a.誤差檢測。

　　b.出錯處理。

　?。?） 傳輸數(shù)據(jù)完畢，指示該 DCT清空。

　　3.節(jié)點功能：

　?。?）  采集以及存儲：通過計時器以及脈沖輸入計數(shù)器記錄在單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)足夠的儲存空間儲存未上交的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送并得到確認(rèn)后，自動清空儲存空間，繼續(xù)記時。

　?。?） 節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送：為了不引起數(shù)據(jù)傳輸時的數(shù)據(jù)沖突，每個節(jié)點設(shè)置不同的固定的發(fā)送時間。

　?。?） 節(jié)點數(shù)據(jù)的接受：節(jié)點擁有接受工作站命令以及中轉(zhuǎn)其他節(jié)點信息功能，設(shè)計拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)以及轉(zhuǎn)發(fā)表，規(guī)定具體數(shù)據(jù)接受，轉(zhuǎn)發(fā)以及拋棄。遇到堵塞節(jié)點上交異常消息。

　?。?） 與工作站相連的收發(fā)節(jié)點能定時發(fā)送檢測信號，觀察各節(jié)點運行狀況，并上交具體故障點。該節(jié)點與工作站以串口方式連接。

　　4. 網(wǎng)絡(luò)傳輸功能：控制中心能對內(nèi)部局域網(wǎng)的所有工作站匯集信息進行 TCP/IP傳輸、存儲。

　?。?）各個工作站通過局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)至控制中心：

　　a. 建立 NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）；

　　b. 建立主機（控制中心）、客戶端（工作站）應(yīng)用程序。

　?。?）控制中心建立數(shù)據(jù)庫，存儲所有工作站的信息。

　　5. 控制中心數(shù)據(jù)庫查詢功能：

　?。?） 查詢管理：按 ID查詢、出錯狀態(tài)查詢，對數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)能進行動態(tài)預(yù)覽。

　?。?） 統(tǒng)計功能：按照具體的條件進行統(tǒng)計，對統(tǒng)計結(jié)果能進行動態(tài)預(yù)覽。

　?。?） 控制中心通過數(shù)據(jù)庫可查詢所有數(shù)據(jù)源的ID、狀態(tài)和數(shù)值。

　　（4） 員工管理：員工信息添加、修改、刪除、權(quán)限設(shè)置等。

　?。?） 權(quán)限管理：

　　a.權(quán)限：對數(shù)據(jù)庫有全權(quán)控制，該權(quán)限無法通過網(wǎng)絡(luò)進入，須在控制中心才能行使該職能。

　　b.一般權(quán)限：需驗證登錄，用戶可通過瀏覽器進入控制中心瀏覽數(shù)據(jù)庫相關(guān)記錄，但不能修改。

　　6. 數(shù)據(jù)源狀態(tài)監(jiān)測：通過 4字節(jié)（32位）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)點當(dāng)前狀態(tài)的定義。

　　4.結(jié)束語

　　本文介紹了一種基于 ZigBee技術(shù)的無線抄電表系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的ZigBee技術(shù)具有協(xié)議簡單，成本低，傳輸可靠，數(shù)據(jù)安全性高，雙向無線通信技術(shù)等優(yōu)點。不過CC2430可能由于功率的限制，傳輸距離還有待提高。個人水平經(jīng)驗所限，還有許多可以進一步完善地方，特別是網(wǎng)絡(luò)接口部分。

　　1、準(zhǔn)確度等級：1.0級，基本誤差、起動、潛動符合國標(biāo)要求。

　　2、電流規(guī)格：2.5（10）A　5（20）A　10（40）A　20（80）A　30（120）A

　　3、電表常數(shù)：1600imp/kWh　800imp/kWh

　　4、功耗<1.0W

　　5、非接觸式（射頻）IC卡技術(shù)：采用世界上的射頻IC卡及基站技術(shù)，全密封、非接觸，防潮、防水、防攻擊、防竊電、抗磁、抗干擾性能好。

　　6、數(shù)據(jù)表決糾錯技術(shù)：表內(nèi)每個數(shù)據(jù)存放在五處，若萬一數(shù)據(jù)出錯，則另外幾處可對其進行糾錯，從而作到數(shù)據(jù)可靠，萬無一失。