一種基于ZigBee的遠程抄表系統設計

李清海，朱 黎，田相鵬

(湖北民族大學 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

隨著智能電網與物聯網的發展，傳統的抄表系統逐漸被智能電表系統取代[1].目前智能電表的數據傳輸主要以RS-485、Wi-Fi、電力載波、Nb-IoT模塊為主要通訊主體.其中，使用基于RS-485通訊會造成智能電表系統集成表箱里走線復雜，且在發生通訊故障時復雜走線會使維護難度加大[2]；基于Wi-Fi通訊雖然可以滿足智能電表系統的通訊要求，但電表都常常安裝在樓層的電井表箱內，通訊質量在封閉環境中得不到保證[3]；而使用基于Nb-IoT模塊的通訊方式的智能電表系統雖然解決了表箱內走線復雜、二次維護復雜的問題，但目前的Nb-IoT模塊價位相對較高，這樣使智能電表的性價比下降[4].荊永震等[5]提出了以LoRa通訊為通訊主體的抄表方案，該方案采用SX1278調制解調無線信號，實現了長距離、高通訊率的數據傳播，適用于居民區、商業廣場等場景的用電系統.但是目前的LoRa相對來說還是比較昂貴，性價比較低.曹舒[6]提出了一種將ZigBee通訊技術與GPRS網絡相結合的智能電表系統設計方案，其中集中器、路由器、采集器分別采用PIC24FJ64GA002與RCM6700作為MCU，再通過外擴無線通信接口接入相應的無線模塊，造成軟件設計周期長，硬件成本高的問題.

本文設計的智能電表采集終端通過STM32作為主控芯片來讀取計量芯片采集到的電氣參數，將數據通過串口傳輸給CC2530模塊，并由CC2530發送給網關模塊；網關模塊作為ZigBee網絡里的協調器收集所有終端數據，再基于LwIP協議把數據傳輸給服務器；服務器則能遠程控制和監控各個電表的運行狀態和測量參數且改變各個電表的開關狀態，實現用戶電表數據遠程采集與開關控制.ZigBee無線傳感網絡具有成本低廉、功耗低微、時延短暫、自組能力強等顯著優勢，還可以大大簡化集中表箱中的走線，方便后期的維護.

1 系統框架

如圖1所示為系統結構圖，各個電表為組網里的終端節點，每個電表的控制芯片STM32F103來讀取計量芯片采集到的電氣參數，然后通過串口將數據傳輸給CC2530芯片.各個終端節點用CC2530芯片的射頻模塊將數據發送給協調器，協調器經串口將數據傳輸給網關的主控芯片STM32F429，數據在主控芯片內被分類處理后最終通過網口傳給服務器.

圖1 遠程抄表系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of remote meter reading system

2 系統硬件設計

2.1 智能電表結構

智能電表主要是由計量芯片電路，控制芯片電路及外圍電路部分組成.STM32F103是電表的控制芯片.市電經電壓電流采集電路將電氣參數存入計量芯片ATM90E26的寄存器中，計量芯片再通過SPI通信傳輸給控制芯片.數據經過控制芯片數據還原打包處理后，通過串口給ZigBee通訊模塊再傳給網關，同時數據還會通過串口傳輸到串口屏上顯示.周圍的模塊電路受到主控芯片控制，電源模塊給整個系統提供需要的工作電壓.智能電表終端結構如圖2所示.

圖2 智能電表結構框圖Fig.2 The structure of intelligent meter

2.2 智能電表電源電路設計

本電路主要是給整個智能電表提供穩定的+5 V和+3.3 V的穩定工作電壓[7].市電220 V電壓的火線端接L_IN，零線端接N_IN.保險絲F1，溫敏電阻R16，壓敏電阻RV1組成保護電路.保險絲在電流過大時會自動熔斷，起到保護電路的作用；溫敏電阻是防止電路上電后，給濾波電容充電時的沖擊電流過大，且電流過大時線路溫度升高，溫敏電阻的阻值上升從而達到限流的作用；壓敏電阻則是起到電壓鉗位的作用.C20與L3組成濾波電路，過濾掉市電中的高頻信號與共模干擾，共模電容、電感的計算公式為：

(1)

(2)

其中：VX是電容CX上的壓降，Iy是對地漏電流，對地漏電流要求越小越好，一般標準通常幾百微安到幾百毫安.C24與C25接外殼可以做到操作人員防觸電.電源模塊U6直接將220 V的交流電壓轉換為+12 V的直流電壓，12 V的直流電壓再經穩壓器U4與U5輸出+5 V、+3.3 V的電壓.系統電源電路原理圖如圖3所示.

圖3 系統電源電路Fig.3 System power circuit

2.3 智能電表計量電路設計

計量電路主要以計量芯片ATM90E26為核心的測量電路，計量芯片ATM90E26芯片內部集成了三個Σ-Δ型ADC[8].Σ-Δ型ADC將采樣電路的模擬信號經Σ-Δ調制器以及數字濾波器處理后，轉換為數字信號送至DSP模塊中.DSP模塊將數字信號經過進一步數據處理后，把計算得到的電能、功率、電壓、頻率等電氣信息放至相應的寄存器[9].如圖4所示，火線與零線分別經過電壓電流采樣電路后，將電壓值縮小至計量芯片可測量的電壓范圍，本設計將計量芯片測量增益配置為1時，電壓電流端口交流有效值電壓為120 μV～600 mV.零線的電流測試端口為引腳I2P與I2N，火線的電流測試端口為引腳I1P與I1N，就此完成電流采集；電壓值測量端口為VP與VN引腳.Reset引腳引出硬件重置電路，USEL為通訊方式選擇引腳，當輸入低電平時計量芯片與控制芯片STM32F103為SPI通信，當輸入高電平時計量芯片與控制芯片為串口通信.本文選擇SPI通信，R7電阻為預留電阻，在焊接時不連接可將USEL引腳拉低至低電平.SDI、SDO、SCLK、CS引腳組成SPI通訊接口，將各個數據寄存器的數據傳輸給控制芯片.OSCO與OSCI連接一個8 MHZ的無源晶振為計量提供工作頻率.

圖4 計量電路Fig.4 Measurement circuit

2.4 智能電表掉電檢測電路與繼電器電路

如圖5所示，市電接入電壓互感器將電壓降壓后，然后接一個由運算放大器組成的電壓跟隨器將電流放大至可以驅動光電耦合器，當通電時，光電耦合器導通，給控制芯片的ADC端口一個電壓值.當斷電時，ADC采集電壓為0 V，控制芯片將斷電信息上傳給服務器.其次光電耦合器起到電氣隔離的作用，可以防止大電流涌入，直接接入控制芯片把芯片燒毀.

圖5 掉電檢測電路Fig.5 Drop detection circuit

圖6為繼電器控制電路，端口P6接控制芯片的GPIO端口，控制芯片通過輸出高低電平來控制繼電器的開合；即操作人員可以在遠程通過服務器，發動操作指令給網關，網關模塊控制電表的控制芯片，最終控制繼電器的開合來選擇是否給用戶供電.

圖6 繼電器控制電路Fig.6 Relay control circuit diagram

2.5 智能電表通訊模塊設計

如圖7所示，此模塊使用CC2530射頻芯片，芯片內部集成了8051單片機及無線收發器，集成PA+LNA，極大的擴展通信距離、提升通信穩定性[10].除此之外協調器上電自動組建網絡，終端和路由器自動搜索并加入網絡，當網絡中間節點丟失，其他網絡自動加入或保持原網絡；若是協調器丟失，原網絡存在非孤立節點，協調器可再次加入該網絡或者相同用戶設置的原網絡PAN_ID的協調器加入原網絡[11].并且設備在終端狀態下可以設置為低功耗模式，低功耗模式下待機功耗小于2 μA.這樣的特性保證了電表的無線通信質量.本文中將電表設置為終端，將網關設置為協調器進行組網.在圖7中DD、DC為軟件下載口，P1_4～P1_7為SPI通信引腳，P2_1～P2_5為串口通信引腳，根據實際需求選擇通訊方式.RF_P與RF_N為射頻模塊的天線引腳，P2_4與P2_3是給51單片機提供32 MHz的工作頻率，XOSC32M_Q1與Q2給射頻模塊提供32 KHz的工作頻率.

圖7 CC2530模塊電路Fig.7 CC2530 module circuit diagram

2.6 網關模塊設計

網關設計STM32F429為MCU，搭配相關外設組成的.將一個電表柜里的所有電表通過ZigBee組網最終與協調器無線通信，ZigBee組網內的協調器通過串口來與MCU通信，將各個電表的電氣信息收集起來，進行數據處理后通過串口發送給網卡，如圖8所示，U1為以太網收發器LAN8720A，支持通過RMII接口與以太網通信，MUC將處理后的數據通過引腳1-9組成的RMII接口發送給網卡,然后通過引腳TXN、TXP、RXN、RXP組成的MDI接口與以太網接口J1相連，實現與服務器的數據互傳.

圖8 網關模塊電路Fig.8 Gateway module circuit diagram

3 系統軟件設計

3.1 智能電表終端軟件設計

電能表軟件設計的集成開發環境采用美國Keil Software公司開發的Keil μVision 5，它支持ARM芯片[12]，設計語言采用C語言編程.如圖9所示，當打開電表開關按鈕，首先進行系統的初始化，即對STM32需要工作的GPIO、ADC、SPI通信、串口通信、外部中斷等進行初始化；初始化結束后利用ADC和掉電檢測模塊對火線進行電壓檢測；若沒有電壓則觸發外部中斷，蜂鳴器警報，且STM32通過電池供電進入低功耗模式，將掉電事件發送給網關報告服務器.當火線上有電壓時，啟動計量芯片ATM90E26，STM32運用SPI通訊讀取計量芯片的數據寄存器；由于寄存器內存儲的數據并不是真實準確數據，STM32需要通過正確的算法將數據進行處理，處理后的數據通過串口顯示到串口屏上和通過ZigBee模塊發送給網關.

圖9 主程序流程圖Fig.9 Main program flow chart

3.2 網關模塊軟件設計

通信協議上使用的是LwIP協議.LwIP協議是輕量化的TCP/IP協議，它可以用少量的資源消耗實現一個較為完整的TCP/IP協議棧，首先對網卡進行初始化，然后從網卡接收一個數據包，獲取數據包的方式有兩種，一種是查詢方式，另一種是中斷方式.查詢方式通過主函數的While循環進行周期性處理，去獲取網卡中是否接收到數據包，然后遞交給上層協議取出來，而中斷方式則是在網卡接收到一個數據包時候，就觸發中斷，通知CPU去處理，這樣效率就會高很多.本文采用中斷方式接收數據，然后將數據封裝成消息投遞到LwIP內核上.在網關模塊主函數里，主要是對接收到的數據進行分解處理，在協議棧里規定了數據以20字節的形式傳輸，當20字節滿了數據才會傳輸給MCU里，然后再將數據包的標志位清除，留下真實數據進行還原，還原后的數據再以LwIP協議的方式傳輸給服務器.主函數的流程圖如圖10所示.除此之外，網關還可以接收服務器的操作指令，對網關和終端節點進行控制.

圖10 網關主函數流程圖Fig.10 Gateway main function flow chart

4 測試結果與分析

4.1 組網測試

為了測試節點的運行效果，在實驗室中搭建測試網絡進行組網測試.測試網絡由5個終端節點和1個網關模塊(協調器)組成星型網絡.1臺PC機通過RS-232與網關相聯，同時配置網絡調試助手對網關數據通信情況進行監聽.網絡調試助手能夠監聽到終端節點發送給網關模塊的采集數據如圖11所示，采集數據包括接入智能電表火線上的電流、電壓、有功功率、視載功率、消耗的電量以及零線上的電流.由于測試時終端沒有接入測試電壓和用電器，所以各項電氣數值顯示為0，但可以驗證終端節點的數據是完整的傳輸給服務器，網關模塊可以正常的運行且遠程監測用戶的各個電氣參數.

圖11 網絡調試助手Fig.11 Network debugging assistant

同時，由于ZigBee技術和無線局域網Wi-Fi都是在ISM 2.4 GHz頻段上的無線通信技術，這兩種短距離通信系統共處同一空間應用也越來越普遍，室內環境下的同頻干擾問題變得尤為突出.在上述測試網絡中布置3個Wi-Fi干擾源，3個干擾源分別工作在3個不同的信道(1、 6和11)，選擇其中1個終端節點和1個網關模塊(協調器)進行點到點通信測試同頻干擾情況，調整該終端節點的信道依次從11信道到26信道，測出在Wi-Fi干擾源信道不變的情況下，ZigBee網絡中16個信道的通信質量情況.同頻干擾測試結果如圖12所示，橫坐標是ZigBee信道，縱坐標是誤包率.通過結果可以看出，在所有信道中，PER較低的是第15，20，25，26這四個信道，第12，13，17，18，22，23信道PER明顯增加，特別是第12，18和23信道，達到波峰，驗證了在這幾個頻譜范圍Wi-Fi與ZigBee發生了重疊，而在第15，20，25，26信道上，PER較小，滿足通訊要求.上述測試結果為本采集系統在室內環境下中的實際應用提供了一定的參考.

圖12 3個Wi-Fi信道干擾下的ZigBee誤包率Fig.12 ZigBee packet error rate under 3 Wi-Fi channel interference

4.2 功能測試

智能電表通過計量芯片測量用電設備的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因素、電能量.由于計量芯片將相關數據放在數據寄存器中，主控芯片通過SPI通訊讀取出后發送至主控芯片的串口上，根據國家電網公司對單相智能電能表的規格要求，精確度應為有功2級，有功功率誤差在控制在±2%之間.即功率因數為1、電壓范圍在0.9 Un～1.1 Un(Un為參比電壓220 V)時，允許相對誤差控制在±2%之間.進行電壓改變測試有功誤差實驗，智能電表終端接入一個發熱用電設備，通過改變擋位來調整用電功率.發熱用電設備功率因數趨近于1，數據如表1所示，誤差率皆滿足規范要求.

表1 實驗測試數據Tab.1 Experimental test data

5 結語

首先介紹了基于智能電表遠程抄表系統的主要通訊方式和研究現狀，在此背景下提出了基于ZigBee技術的智能電表用電數據采集系統.本文從硬件設計與軟件設計兩方面入手，利用STM32與CC2530模塊的低功耗、高速率的特點，將兩者作為智能電表硬件設計的主控芯片和數據傳輸方式，同樣利用ZigBee技術的高性價比，將各個智能電表終端組網由網關模塊統一管理.文章著重基于LwIP協議的輕量化的特點，使其作為網關的協議棧與服務器通訊，構成完整的智能電表數據采集系統.經過PCB開板調試實驗，系統可以正常穩定的運行，數據可以正常傳送至服務器.可以預見，由于ZigBee技術的低功耗、高性價比，未來在物聯網領域還有廣闊的前景[13].