摘 要： 討論了無線抄表系統的系統架構，介紹了低壓電力采集終端的整體結構和工作原理，以及一種基于Zigbee技術的無線集抄系統數據采集終端硬件設計和軟件設計。
關鍵詞： 無線抄表；采集終端；Zigbee協議；CC2430
目前的自動抄表系統，從數據傳輸角度可分為有線、無線兩大類，這兩大類抄表系統各有其適用的應用領域，但就抄表系統的投資、建設、維護等方面，無線抄表系統顯然具有更大優勢。綜觀國內外無線抄表產品，除2006年法國公司在東歐建立的首個大規模抄表系統外，還沒有其他系統可以大規模應用于居民小區，大部分只是前期試點，部分產品還沒有應用在實際生活中[1]。
無線抄表系統不但要完成新的數據采集，而且還要保證數據的可靠性。所以通信過程的可靠性和有效性是整個抄表系統的重要質量指標，關系到系統能否可靠運行。本文分析了無線抄表系統的結構，介紹了低壓電力集抄系統采集終端的整體結構和工作原理，以及一種基于Zigbee技術的數據采集終端硬軟件設計。
1 低壓電力無線抄表系統的整體結構
某公司致力于電能計量自動化系統的開發，該公司現有的電力載波遠程集抄系統有2種方案：(1)全載波方案。系統由后臺軟件、集中器和表計部分組成。(2)半載波方案。系統由后臺軟件、集中器、現場采集終端和表計部分組成，集中器上行與后臺通信，通道方式包括：GPRS/CDMA、電話線、GSM等。方案(1)中，集中器下行與表計通信，通道方式主要采用低壓電力載波進行數據傳輸。方案(2)中,集中器下行與采集終端通信，通道方式采用低壓電力載波方式；采集終端和表計通信通道采用RS-485方式。圖1為國家標準DL/T 698-1999中規定的低壓電力用戶集中抄表系統結構。
低功率無線抄表系統與電力載波抄表系統具有相似的系統架構：集中器的上行通道都采用撥號網/專用網/GPRS/CDMA等網絡實現電表數據的遠程傳輸，采集器的下行通道采用RS 485總線實現電表數據的讀取。它們的區別在于集中器的下行信道和采集器的上行信道的不同，電力載波抄表系統以電力線為信道載體傳輸數據，而無線抄表系統則以無線信道傳輸數據。
本文中，在集中器、現場采集終端或表計中分別集成無線數據收發模塊，將電表數據采集的電力載波方案改成無線通道方案。這樣，與2種電力載波集抄系統相應的無線抄表系統則可以被稱為全無線抄表系統和半無線抄表系統。通常在一個小區中使用星型網絡即可形成一個由中心節點(集中器)和多個終端節點(表計或現場采集終端)組成的無線抄表網絡。考慮到小區內有的終端節點離中心節點較遠，數據傳輸可靠性低，因此采用網狀網絡。多個終端節點組成無線自組網絡，將采集到的數據以多跳的方式發送到中心節點中，由中心節點實現數據存儲和遠程傳送。
2 無線數據采集終端硬件設計
2.1 數據采集終端
采集終端是自動抄表系統安裝在現場的低端設備，它主要負責對單個電表的數據進行采集，并且將每個用戶的數據分別存儲，當接收到集中器的命令時，將用戶數據發給集中器。如果為每個電能表都配備1個數據采集器，將會導致系統結構復雜、成本高。因此，要求每個采集器可采集多個電能表的電量數據，并把統計的電量保存到相應的存儲器空間，方便集中器進行抄讀和控制。
本文設計的無線采集終端基于Chipon公司的Zigbee SoC解決方案，采用低功耗的CC2430-F128無線通信芯片。采集終端的下行通道采用RS-485總線與多臺電能表連接，用于電能表的數據采集和對電能表的通斷電控制。采集器的上行通道采用Zigbee無線傳感器網絡技術，每個采集終端都作為Zigbee網絡的1個終端節點，多個終端節點和1個集中器組成網狀網絡，采集終端通過網絡與數據集中器進行數據交互，實現電表數據的遠傳。圖2 所示為本文設計的低壓電力無線抄表系統結構。
2.2 采集終端硬件設計
系統的硬件結構如圖3所示。它實現的功能是與外界的通信和數據的存儲，其結構主要包括：CC2430-F128無線單片機、電源單元、485通信單元、紅外通信單元、狀態指示單元。電源單元電路用于為其他各單元供電；采集終端利用485通信單元連接多個電能表，組成485總線網絡，實現對電能表的控制和電能表數據的抄讀。該單元使其采集終端適合應用在帶有RS-485接口的多功能電能表的場合；紅外通信單元用于實現采集終端的參數設置和數據的半自動化抄讀，用于解決無線抄表系統無法自動讀取采集終端數據的情況；狀態指示單元用于指示采集終端的組網、通信等各種工作狀態。
指示燈及電源電路如圖4所示，RS-485通信單元如圖5所示。
CC2430-F128及其外圍電路如圖6所示。CC2430-F128無線單片機是采集終端的的核心單元，它在單個芯片上整合了Zigbee射頻(RF)前端、內存和微控制器。CC2430-F128芯片是Chipcon公司生產的首款符合Zigbee技術的2.4 GHz射頻系統單芯片，適用于各種Zigbee或類似Zigbee的無線網絡節點，包括調諧器、路由器和終端設備。它使用1個8 位MCU(8051)，具有128 KB 可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器(timer)、AES128 協同處理器、看門狗定時器(Watchdog timer)、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)以及21個可編程I/O 引腳。Zigbee采用IEEE802.15.4標準，利用全球共用的公共頻率2.4 GHz。應用于監視、控制網絡時，CC2430-F128具有非常顯著的低成本、低耗電、網絡節點多、傳輸距離遠等優勢，目前被視為替代有線監視和控制網絡領域最有前景的技術之一。CC2430-F128中運行Zigbee協議棧，在協議棧的應用層中添加抄表系統的應用程序，應用程序初始化過程中完成系統參數的初始化、查表等功能，根據電能表通信協議，周期性地讀取電能表數據，并將數據存儲在存儲器中。響應來自集中器的指令，實現對電能表的控制或發送電表數據，數據在網絡中以多跳的方式向集中器傳送。
3 無線數據采集終端系統軟件設計
3.1 Zigbee協議棧
Zigbee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯網。Zigbee標準基于802.15.4協議棧而建立，具備了強大的設備聯網功能，支持3種主要的自組織無線網絡類型：星型結構、網狀結構(Mesh)和簇狀結構(Cluster tree)，特別是網狀結構，具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。自動抄表是Zigbee聯盟選定的3個主要應用目標之一。采用Zigbee技術與Internet/GPRS/CDMA技術結合，可以為電表的無線抄表提供很好的解決方案。TI公司已經免費提供Zigbee協議棧，在協議棧的應用層中加入電能表數據采集及管理功能，就可以搭建一個完整的無線電能表數據采集網絡。電能表的數據采集程序是指采集終端根據電能表通信規約，周期性地讀取電能表的數據。管理功能包括電表數據的存儲、采集終端的自動查表、紅外通信的參數設置和數據讀取、處理來自集中器的指令和向集中器的數據發送管理等。
3.2 采集終端自動查表功能
自動查表功能，就是利用計算機的人工智能技術，自動搜索電表地址，并自動配置在采集器、集中器以及抄表中心的上位機軟件中，使得系統在設備安裝、更換時的參數配置完全不需要人工干預，自動完成系統中的設備檔案管理功能。
早期的低壓居民集中抄表系統在安裝調試時，首先由技術人員到現場排查，對每個集中器、采集器下安裝的所有電表的通信地址進行人工統計，然后再在抄表中心的上位機軟件中進行檔案錄入，最后還要逐一對現場的采集器、集中器進行電表通信地址參數配置。除調試時工作非常繁瑣、耗力耗時外，運行中換表操作時仍需大量的人工干預，使低壓居民集中抄表系統應用的難度大、成本高。
本文設計的采集終端中，在Zigbee協議棧應用層添加自動查表功能，每個采集器與其下接電表組成一組，使多個采集器可以多組同時找表。采集器與電表之間通過RS-485通道，按部頒規約交換數據，采集器采用哈希算法對其下接電表地址進行壓縮編碼，將完整的電表地址映射到有限的特征值范圍內，搜尋采集器下接的所有電表地址。
3.3 數據傳輸規約
采集終端與電能表的數據交換采用國家標準《多功能電能表通信協議》DL/T645-2007：采集終端上行與集中器的的數據交換中，集中器為主站、采集終端為從站，采集終端下行與多個電能表之間的數據交換中，采集終端為主站，多功能電能表為從站。該協議格式為主-從結構的半雙工通信方式。每個采集器及多功能電能表均有各自的地址編碼，通信鏈路的建立與解除均由主站發出的信息幀來控制。每幀由幀起始符、從站地址域、控制碼、數據域長度、數據域、幀信息縱向校驗碼及結束符7個域組成，每部分由若干字節組成。
本文介紹了一種基于Zigbee技術的無線集抄系統數據采集終端，由于CC2430模塊豐富的片上外圍功能，大大簡化了外圍電路的設計，以及其超低的功耗模式，從而降低了成本，提高了運行的可靠性。
參考文獻
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[2] 許晶菁，曾國宏，張佳基.基于PL3200的自動抄表系統采集器的設計[J].電子產品世界，2006(7)：84-86.
[3] Chipcon公司.CC2430 Datasheef[EB/OL].2005.
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