基于ZigBee的微功率無線抄表系統設計

李永尚

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210009)

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基于ZigBee的微功率無線抄表系統設計

李永尚

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210009)

針對目前抄表系統中存在的成本高、功耗大、網絡規模小、抗干擾能力差等問題，提出了一種基于ZigBee協議的微功率無線抄表系統。該系統以STM32F103微控制器和CC1100E無線射頻芯片為核心，對網絡中的終端電表節點無線通信模塊、集中器節點無線通信模塊的硬件和軟件進行了模塊化設計。試驗表明該無線抄表系統具有功耗低、成本低、可靠性高、靈活性強和可擴展性等特點。

ZigBee協議；無線抄表系統；STM32F103；CC1100E

引用格式：李永尚. 基于ZigBee的微功率無線抄表系統設計[J].微型機與應用，2016,35(16)：88-90，94.

0　引言

目前，我國仍有部分地區采用人工抄表的方式，存在效率低、成本高、實時性和準確性低等缺點，且易發生錯抄、漏抄等現象。有線自動抄表方式主要有兩種：RS485總線方式和電力線載波方式。RS485總線方式需要大量布線，存在空間局限性及成本高的缺點[1-3]；電力線載波抄表方式去掉額外的數據線路，直接以低壓輸電線路為傳輸介質,因此具有安裝方便、成本低等優勢，但是，電磁干擾和輸電線路負載變化都會導致其抗干擾能力弱，穩定性及可靠性較低[2-5]。隨著計算機和通信技術的發展，無線抄表方式已經得到實際應用，可有效降低成本，實時、可靠且高效地抄讀電表信息。與紅外、藍牙、WiFi等無線技術相比,ZigBee技術具有功耗低、距離長、成本低、容量大及組網能力強等優點，尤其適合數據通信量小、傳輸率低的無線抄表領域[4-7]。

本文實現了一種無線抄表系統，選用高性能、低功耗的控制器和收發器，結合ZigBee協議棧對無線模塊進行設計。試驗結果表明，本系統可準確抄讀電表信息，通信距離達400 m左右，滿足一般小區抄表需求。

1　總體設計及工作原理

本系統基于ZigBee技術和GPRS技術來搭建，主要由智能電表、集中器和國家電網3部分組成。其中智能電表和集中器組成抄表終端系統，集中器和電表都安裝了ZigBee微功率無線通信模塊，所有模塊組成ZigBee網絡。集中器端無線模塊作為中樞節點即ZigBee網絡中的協調器，負責采用指定路由方式對整個ZigBee網絡中的智能電表用電信息進行采集，并且對ZigBee網絡進行維護，另外集中器端還安裝有GPRS模塊，通過GPRS網絡與國家電網進行數據傳輸。遠程無線抄表系統總體方案設計如圖1所示。

圖1　遠程無線抄表系統總體方案設計

2　硬件設計

集中器與智能電表都預留有USART串口以便安裝ZigBee微功率無線通信模塊，USART串口通信遵循國家相關標準。電表端無線模塊主要功能有：采集智能電表數據、無線傳輸數據、路由轉發其他數據；集中器端無線模塊功能主要有：接收智能電表數據并處理，通過串口傳輸數據至集中器或接收集中器命令信息，收發器發送集中器控制信息。本設計中，無線通信模塊圍繞高性能、低功耗的微控制器STM32F103和無線射頻芯片CC1100E進行設計。

微控制器STM32F103采用ARM 32位的Cortex-M3 CPU，工作頻率為72 MHz，并且外部接口豐富，具有51個通用輸入輸出端口(General Purpose Input Output，GPIO)，2個串行外設接口(Serial Peripheral Interface, SPI)，3個通用同步/異步串行接收/發送器(Universal Synchronous/ Asynchronous Receiver /Transmitter, USART)，2個12位模數變換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)。

CC1100E是一款適用于低功耗射頻應用的高性能射頻收發器，常用工作頻段為470～510 MHz及950～960 MHz。射頻性能方面，CC1100E具有高靈敏度、低電流消耗等優勢；模擬特性方面，通過與收發器集成可配置基帶調制解調器，CC1100E支持2-FSK、GFSK、OOK及MSK等多種調制格式；數字特性方面，CC1100E提供同步字檢測、地址校驗、數據包長度可變及自動 CRC 處理的片上支持；低功耗特性方面，CC1100E在睡眠模式下電流消耗為400 nA，從睡眠模式下喚醒快且具有自動低功耗接收輪詢無線喚醒功能。抄表終端硬件結構如圖2所示。

圖2　抄表終端硬件結構

集中器端及電表端采用相同的微功率無線通信模塊設計，為完成串口通信、無線通信、系統管理等一系列功能，ZigBee微功率無線通信模塊上放置有電源電路、時鐘電路、復位電路、CC1100E射頻電路、JTAG調試電路等各種外設電路，無線通信工作頻段為471～486 MHz，該設計下的無線模塊具有通信距離遠、通信速率高和功耗較低等優點。微功率無線通信模塊硬件結構框圖如圖3所示。

圖3　微功率無線通信模塊硬件結構

3　軟件設計

本系統采用的開發平臺是IAR Systems公司的IAR Embedded Workbench for ARM，并利用ST-LINK/V2進行程序下載和在線仿真調試。采用TI公司的Z-Stack協議棧，實現操作系統抽象層任務調度。系統初始化后進入低功耗模式，事件發生時觸發中斷，系統為每類事件分配優先級，并將事件加入到消息隊列中。系統采用事件輪詢機制，查詢消息隊列中是否有未處理的事件，如果有未處理的事件，則按照事件優先級調用相應的事件處理函數進行處理，結束系統將進入低功耗模式，有效地降低系統的功耗[5-7]。

除了對Z-Stack協議棧的簡化設計，還需要完成集中器端和電表端的應用層軟件設計部分，實現整個ZigBee網絡組建和控制及準確、可靠地抄讀電表數據。

3.1集中器端應用層軟件設計

本抄表系統設計中，集中器端ZigBee微功率無線通信模塊是ZigBee網絡中的協調器，負責整個網絡的控制和維護。所以集中器端無線模塊即協調器需要完成兩個任務：ZigBee網絡的組建與維護；與集中器信息交互和抄讀網絡中電表用電信息。

集中器上電后，協調器將建立和啟動ZigBee網絡。首先，協調器將檢測周圍無線環境并選擇合適的信道；其次，為該網絡選擇一個網絡表示符PAN ID，PAN ID一般選擇0x0000作為協調器的16位短地址。手動輸入網絡中智能電表6 B硬件地址，集中器將啟動檔案同步過程，即通過USART串口命令將手動輸入的電表地址加入協調器。檔案同步結束后，集中器下發“重啟”或“恢復”命令，從而啟動抄表流程。其中，協調器與集中器之間的信息交互軟件設計遵循國家電網公司企業標準Q/GDW 1376.2-2013集中器本地通信模塊接口協議[8]。

協調器根據指定路由方式和抄表方式組成無線幀向網絡節點廣播，協調器收到電表數據后進行處理，若電表地址不在協調器中，則進行檔案同步過程。若地址正確，協調器向集中器發送上報數據請求，得到確認后向集中器上傳電表數據，從而可以通過電表硬件地址手動操作集中器查看電表用電信息[8]。用電信息可通過集中器上的GPRS模塊傳輸給國家電網集抄中心。周期抄表流程如圖4所示。

圖4　周期抄表流程圖

3.2電能表端軟件設計

電表端無線模塊接收到協調器的無線幀后進行解析，若收到命令幀目的地址不正確，則丟棄該幀，否則根據無線幀內容組成相關命令幀通過USART串口發送給電表，無線模塊獲得電表的反饋后組成無線幀發送給協調器，另外，載有電表用電信息的無線數據幀可通過其他電表無線模塊進行路由轉發，直到無線幀到達協調器。其中智能電表與ZigBee微功率無線通信模塊之間的信息交互遵循國家電網公司企業標準DL/T645-2007多功能電能表通信協議[9]。電表端應用層工作流程如圖5所示。

圖5　電表端應用層工作流程圖

4　測試結果及分析

4.1發射功率測試

在IAR平臺上指定發射功率(CC1100E可配置輸出功率-20 dBm、-10 dBm、-5 dBm、0 dBm、5 dBm、7 dBm、10 dBm)，使用饋線連接模塊天線和頻譜分析儀，利用仿真器下載程序和在線調試。測試結果表明射頻功率符合技術指標(≤17 dBm)。

4.2通信距離測試

將10個電能表節點分開放置在6層樓的不同樓層，集中器放置在一樓，通過空中抓包工具抓取無線幀并發送給計算機。通過計算機串口工具和集中器顯示器觀察電表數據抄讀情況，可以適當拉大電表與集中器的距離再次試驗。試驗結果表明本系統經前置放大，穿透樓層建筑墻面，有效傳輸距離為400 m左右，能夠滿足一般城市小區的工作環境。

4.3集中器與協調器交互過程測試

因為集中器與協調器通過USART2進行信息交互，可以在IAR環境下修改程序，將經過USART2的信息輸出到USART1，然后連接計算機和USART1進行觀察。測試結果表明，交互過程符合Q/GDW 1376.2-2013集中器本地通信模塊接口協議，可以有效啟動抄表流程，軟件設計能夠完成系統設計需求。

4.4集中器抄表數據測試

采用1個集中器，3個電表。上電后將3個電表的6 B硬件地址添加到集中器，集中器檔案同步后自動進入周期抄表過程。通過集中器液晶顯示器可觀察抄讀的電表數據，包括電壓、電流、有功功率、無功功率、上日正向有功等數據，如表1所示，與智能電表液晶顯示數據一致，表明該系統抄表正常，性能良好。

表1　集中器顯示抄讀信息

5　結論

ZigBee協議簡單，網絡無資費，且具有自組網、故障自愈、容量大、功耗低、安裝維護方便等優點。基于ZigBee技術設計的微功率無線抄表系統，采用高性能、低功耗的STM32F103微控制單元及CC1100E射頻芯片結合ZigBee協議架構完成了軟硬件設計，實現了抄表的自動化、智能化。若增加相應傳感器，可用于集中抄讀小區用戶水表、燃氣表等，具有廣泛的應用前景。

[1] 胡占報. 基于ZigBee的遠程自動抄表系統設計[D].天津:河北工業大學,2009.

[2] 騰菲, 王寧.基于GSM短信的自動抄表系統[J].黑龍江電力,2005,27(4)306-308.

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[6] 周游, 方濱, 王普. 基于 ZigBee技術的智能家居無線網絡系統[J].電子技術應用, 2005, 31(9) : 37-40.

[7] 毛艷峰,曾勉,崔文濤,等. 基于ZigBee和Internet技術的遠程抄表系統的設計[J]. 微型機與應用, 2014,33(22):54-56.

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[9] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T645-2007多功能電能表通信協議[S]. 2007-12-03.

The design of micro power wireless meter reading system based on ZigBee

Li Yongshang

(College of Communication and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210009, China)

Aiming at the existing problems of current meter reading system such as high cost, high power consumption, smaller network size and poor anti-interference ability, this paper presents a micro power wireless meter reading system based on ZigBee protocol. The system takes STM32F103 micro controller and CC1100E wireless RF chip as the core, and gives the modularization design of the hardware and software of wireless communication module in meter node and concentrator node . The test shows that the wireless meter reading system has the advantages of low power consumption, low cost, high reliability, flexibility and scalability .

ZigBee protocol;wireless meter reading system; STM32F103;CC1100E

TN92

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.026

2016-03-31)

李永尚(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：無線移動通信。