基于ZigBee的電能無線抄表系統的設計

唐明軍++潘建華

摘 要：針對ZigBee技術在無線抄表系統的應用，研究并設計了基于ZigBee技術的電能無線抄表系統。該系統以主控芯片CC2530、電能計量芯片RN8209G為核心構建了一款新型智能電表，可實現對電能數據的自動檢測、計量、存儲，同時通過ZigBee無線通信模塊將采集到的電能信息發送到ZigBee數據集中器，數據集中器再利用GPRS網絡將數據發送到抄送中心，從而實現電能無線自動抄表。測試表明，系統組網簡單、計量精度高、穩定性好、易于維護，能夠滿足電能自動抄表的要求。

關鍵詞：ZigBee技術；無線抄表；GPRS；智能電表

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）11-00-02

0 引 言

隨著無線通信技術和計算機網絡技術的發展，特別是智能電網國家戰略的推進，基于無線傳輸的自動抄表方式已逐步成為電能抄表的主要發展趨勢。目前，無線自動抄表系統有基于GSM、GPRS和紅外線、藍牙、ZigBee技術等無線通訊手段，建立在IEEE802.15.4無線通信標準上的ZigBee技術，使用國際通用免費頻段，具有自組織網、開發使用簡單、功耗成本低、網絡容量大、可靠性高等特點[1]。本文設計了一種基于嵌入式技術、ZigBee技術和GPRS技術的電能無線自動抄表系統，并采用低成本低功耗的ZigBee芯片CC2530完成抄表功能。

1 系統總體設計方案

電能無線抄表系統主要由采集終端（智能電表）、ZigBee采集器、數據集中器、集抄中心、無線通信網絡等部分組成。智能電表實時采集電能數據，通過ZigBee無線通信網絡定期將數據上傳到ZigBee采集器，再次通過ZigBee無線通信網絡將數據匯總到數據集中器，然后通過GPRS通信網絡將數據傳輸到遠端集抄中心，實現電能遠程無線集中抄送。其中，ZigBee采集器按照系統要求定期采集智能電表中的電能數據，并通過ZigBee網絡將電能數據信息傳送到數據集中器。當各智能電表分布距離較遠時，ZigBee采集器相當于路由器，智能電表即作為路由器設備在網絡中起路由和允許其他節點加入網絡的功能[2]。數據集中器相當于協調器，通過ZigBee網絡匯總處理所有電能數據信息，并負責啟動和配置整個網絡?；赯igBee的電能無線抄表系統方案如圖1所示。

2 系統硬件電路設計

2.1 智能電表硬件電路組成

本系統智能電表主要由CC2530主控芯片、RN8209電能計量芯片、電源電路、電流/電壓采樣電路、數據存儲電路、LCD顯示電路、功能按鍵電路、通信接口電路等部分組成。RN8209實時采樣電能數據，通過SPI串口與CC2530主控芯片進行通信，完成電能的計量。CC2530主控芯片協調控制各功能電路，實現智能電能表電能計量、信息存儲及處理、實時監測等功能，具體結構框圖如圖2所示。

圖1 基于ZigBee的電能無線抄表系統原理圖

圖2 單相費控智能電能表結構框圖

為提高電能表的計量精度，本設計對分流器電流采樣電路進行改進研究，具體的改進電路如圖3所示。在低通濾波器前加裝一個4通道雙向模擬開關芯片。K1、K3的控制端相連，接收MCU的一個I/O口控制信號以控制通斷；K2、K4的控制端相連，接收MCU的另一個I/O口控制信號以控制通斷。

（1）當電流小于Ith時，MCU控制K2和K4的I/O輸出低電平，K2和K4處于斷開狀態，電流采集與原電路相近。

（2）當電流大于Ith時，MCU控制K2和K4的I/O輸出高電平，K2和K4處于閉合狀態。

采集單元差分放大器采集的電壓為R1和R2的輸入端電壓，即K2和K4兩端的電壓，由于K1、K2、K3和K4的導通電阻相等，而且溫度改變時也保持相等，因此無論何種溫度情況下取樣電壓確保為分流器采集電壓的0.5倍，MCU只要知道此時采集電壓為0.5倍并進行相應放大處理即可。

圖3 分流器高精度電流采樣改進電路

2.2 數據集中器電路設計

為了和終端節點相匹配，本系統集中器的設計同樣選用TI公司的CC2530主控芯片，為擴大網絡覆蓋范圍，在CC2530主控芯片的基礎上外加射頻前端芯片CC2591[3]。

2.3 GPRS傳輸模塊設計

系統選用傳輸距離遠、環境適應性好、實時在線的GPRS作為通信網絡，選擇WG-8010-232 GPRS DTU模塊為其相應的硬件模塊，將現場采集到的電量信息發送至服務器端。DTU端與服務器端的通信過程和其間的協議轉換過程如圖4所示。

圖4 DTU端與服務器端通信協議轉換圖

3 系統軟件程序設計

3.1 智能電表的軟件設計

智能電表的軟件設計主要包括智能電表的初始化、電表數據的采樣與計量、電表數據的顯示、電表的數據傳輸。具體主程序設計流程如圖5所示。

3.2 ZigBee網絡節點的軟件設計

ZigBee網絡節點軟件設計主要包括ZigBee采集器軟件設計和數據集中器軟件設計。數據集中器作為ZigBee網絡的中心節點，負責組建ZigBee無線網絡、發送同步信息、接收ZigBee采集器的數據并通過GPRS網絡上傳至集抄中心[4]。數據集中器軟件設計流程如圖6所示。

圖5智能電表主程序設計流程圖 圖6 數據集中器軟件設計流程圖

4 系統調試

按照系統硬件設計方案，本文選配了智能電表、ZigBee模塊、個人計算機等主要功能模塊，搭建了系統硬件開發平臺，具體硬件開發平臺見圖7所示。運用Delphi語言開發了電能監測管理軟件，具體界面如圖8所示。系統重點對Zigbee集中器抄表網絡關鍵性能指標進行測試，測試結果如表1所列。

5 結 語

本文設計的基于ZigBee技術的電能無線抄表系統，以嵌入主控芯片CC2530的無線智能電表為終端，充分利用了ZigBee技術與GPRS無線通信技術，實現了電能遠程無線自動抄表，為居民小區、學生公寓等區域的電能無線抄表提供了一種可行、適用、成本相對較低的解決方案。

參考文獻

[1]黃璟.基于ARM9和CC2530的遠程無線抄表系統設計[J].陜西理工學院學報（自然科學版），2014，30（5）：16-20.

[2]時志娜.基于ZigBee技術的電能計量無線抄表系統的研究[D].焦作：河南理工大學，2009.

[3]李金鳳，劉豐喜，楊中華，等.基于無線傳感器網絡及GPRS的水質監測系統設計[J].計算機測量與控制，2014，22（12）：3887-3890.

[4]寧菲菲，趙偉艇.基于ZigBee的社區無線抄表系統設計[J].計算機與數字工程，2014，42（9）：1725-1728.