基于ZigBee的无线智能电表系统设计
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摘 要： 设计实现一种基于zigbee的无线智能电表系统。该系统以低功耗微处理芯片msp430为核心，选用高精度的AD7755作为电能计量芯片，通过CC2430芯片构成ZigBee无线自组织网络进行数据传输，实现电能计量、远程抄表、射频刷卡、远程充值、分时电价、远程时间同步等功能，具有可靠性高、抄表速度快、组网方便等优点，可广泛应用于居民楼抄表、工矿企业电力计量统计等领域。
关键词： ZigBee；智能电表；无线抄表；电能计量
中图分类号：TN871 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1210067-02
0 引言
随着生活水平的提高，居民用电量与电表数量也在不断的增加，传统的人工抄表方式已经无法满足电力系统的管理需求，使用具有无线抄表、分时电价等多种功能的智能电表系统应运而生。
本论文设计实现了基于CC2430芯片构建ZigBee自组织网状网络的智能电表系统。该系统具有电能计量、远程无线抄表、双向通讯、远程同步时间、远程更新电价、分时电价、射频识别刷卡预付费等功能。
1 系统架构
智能电表系统主要包括智能电表、中继器、集中器以及上位机管理软件等，系统架构如图1所示。
智能电表与服务器之间通过ZigBee网络实现双向通信，智能电表、中继器、集中器都是ZigBee网络中的设备。集中器负责建立ZigBee网络，通过安放中继器来增大无线网络的覆盖范围。
智能电表部分实现了电能信息采集、显示与上传、电源通断控制、RFID刷卡付费、ZigBee通信等功能。其硬件结构如图2所示。
图2左边为电能计量单元，主要包括电流采样电路、电压采样电路和电能计量电路，通过光电耦合传输给微控制器单元，核心器件为AD7755。右边为微控制器（MCU）控制单元，主要包括MCU、RFID模块、Zigbee模块、RS232模块、显示模块等，微处理器为msp430，ZigBee模块为CC2430。为了防止交流干扰，在左右两个单元采用光电隔离、同时两部分的直流电源相互独立。
2 系统设计
系统通过高准确度电能测量电路实现电能计量，通过ZigBee网络实现信息传输，完成自动远程抄表工作。
2.1 ZigBee网络设计
ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信网络，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和远近信息的，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信“网络”，因此ZigBee的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来描述这种无线信息传输技术。
ZigBee的特点：
1）低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比之下蓝牙可以工作数周、WiFi可以工作数小时；
2）低成本：通过大幅简化协议使成本很低（不足蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee的协议专利免费；
3）低速率：ZigBee工作在250kbps的通信速率，满足低速率传输数据的应用需求；
4）近距离：传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1-3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远；
5）短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s；
6）高容量：ZigBee可采用星状、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网；
7）高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性；
8）免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz（全球）频段。
系统使用2.4G频段的ZigBee自组织网状网络来实现智能电表与服务器之间的双向通信。
ZigBee具有多种网络拓扑结构，包括星形网络（star）、树簇网络（cluster tree）和网状网络（mesh），其中最重要的是网状网络，如图 3所示。
和协调器（Coordinator）三种设备构成。在本文设计的系统中，集中器采用协调器来负责网络的建立及管理。智能电表与中继器都设计成路由模式，每一台智能电表都有路由的功能。
ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，每个网络节点间的距离可以从标准的75米扩展到几百米，甚至几公里。利用ZigBee设备的路由功能，可以使整个ZigBee网络覆盖更广的面积。
无线智能电表系统的稳定性得益于ZigBee网络的动态路由特性，也就是说数据的传输路径不是固定的。这种设计有一个很显著的优点，假如楼宇内数据通路中的某个智能电表发生故障了，还可以自动选择其它通路，不会因为小故障引起大范围的瘫痪。
系统使用TI公司生产的CC2430射频芯片实现ZigBee网络通信。CC2430是一款符合ZigBee技术协议的2.4G射频SOC，片内集成了8051微处理器内核以及符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线收发单元，适用于各种ZigBee技术的终端节点、路由器和协调器。
2.2 电量计量
电量计量部分采用AD7755芯片实现。AD7755是一种高准确度电能测量集成电路，支持50Hz/60Hz，能够满足IEC 687/1036
标准，在500：1的动态范围内误差小于0.1%。AD7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其它信号处理都使用数字电路，这使AD7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。有功功率平均值从AD7755的引脚F1和F2以频率方式输出；有功功率瞬时值从引脚CF以较高频率方式输出，能用于仪表校验。使用AD7755作为电能计量芯片，电能信号以脉冲的形式输出，每输出1600个脉冲代表走了一度电。
3 软件实现
软件设计主要包括三个部分：智能电表与集中器的MCU控制程序、ZigBee网络协议栈以及上位机管理软件。
3.1 智能电表软件设计
在微处理器程序中，设计了一个比较清晰的任务管理机制。main函数在完成一系列初始化后，进入任务处理函数。中断服务子程序中不直接处理中断响应，仅添加一个任务交给主程序执行，使程序更可靠，更清晰。微处理器主程序的流程图如图4所示。
在程序中建立一个任务列表，每个要处理的响应都作为一个任务交给微处理器去处理，微处理器在完成初始化之后一直在检查任务列表里有没有新的任务被添加。定时器中断、外部中断和串口接收中断中也只是添加相应的任务，而不是在中断服务子程序中处理，降低中断冲突的概率。
任务列表没有使用FIFO那样的结构，不同类型的任务被添加到任务列表的固定位置，任务处理有固定的顺序，这样可以实现不同的优先级，例如定时器中断响应任务需要较高的优先级，因为需要比较准确的定时来计量功率。
3.2 上位机软件设计
上位机软件使用VB 6.0编写，通过RS232接口与集中器通信，实现用户电表管理、无线抄表、远程充值、时间同步、电价更新以及分时电价等功能。
4 系统测试
PC机通过RS232接口与集中器相连接，集中器上电之后建立ZigBee网络。每一台智能电表有唯一的物理地址，智能电表上电之后自动加入ZigBee网络，并在一个随机的时间内（防止智能电表集中上电时在关键路径发生阻塞）向集中器发送本机的物理地址。集中器动态的将智能电表的物理地址存入到微处理器的片内Flash中，作为区别每一台电表的标识。通过上位机软件中的“查询网络”功能查看已加入网络的智能电表。除此之外，上位机软件还设计了一键同步电价/时间、功率限制、远程充值、分时电价等功能。
在上位机主界面上点击“抄表”按钮，弹出抄表管理界面。该界面提供了单个抄收与全部抄收两种方式。在两个智能电表加入网络时无线抄表的测试结果，结果显示抄收两个电表的信息只用了8ms，工作效率远大于传统的人工抄表方式。抄收的数据可以保存到数据库文件中。
5 结束语
基于ZigBee的无线智能电表系统整合了无线网络、射频识别、自动控制、电能计量等多种技术，具有高效率、高可靠性、功能丰富等特点。由于实现了智能电表与服务器之间的双向通信，将来在本设计的基础上还可以继续扩展更多的功能。随着我国智能电网系统的不断建设，智能电表所带来的便利以及更丰富的应用将进一步显现。
参考文献：
[1]沈建华、杨艳琴，《MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践》，北京航空航天大学出版社，2008.
[2]陶晓丽，电能计量管理系统智能型电能计量表的设计[D].合肥工业大学，2010.
[3]李莉萍、李先明，智能电网对智能电表的要求及产业发展建议[J].中国外资，2012（17）.
[4]殷树刚、张宇、拜克明，基于实时电价的智能用电系统[J].电网技术，2009（19）.
作者简介：
田青峰（1966-），男，高级工程师，研究方向：通信系统。