嵌入式無(wú)線抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中器的設(shè)計(jì)

張鵬軍

摘要：現(xiàn)代生活中，水表、電表和煤氣表的抄錄和收費(fèi)，是城市生活的一個(gè)大問(wèn)題。人工入室抄表，擾民不說(shuō)，還可能給居民帶來(lái)不安全因素。近年來(lái)，信息化社會(huì)在逐步改變?nèi)藗兊纳罘绞脚c工作習(xí)慣的同時(shí)，也對(duì)一些傳統(tǒng)的理念提出了挑戰(zhàn)。隨著自動(dòng)化和測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，小區(qū)智能化的提高，人們?cè)诠ぷ?、生活、家居條件的智能化水平越來(lái)越高，將室內(nèi)計(jì)量?jī)x表中數(shù)據(jù)自動(dòng)抄收己逐漸成為人們追求的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線抄表系統(tǒng); ZigBee; 集中器

傳統(tǒng)抄表方式需要一家一戶的上門(mén)抄寫(xiě)用電數(shù)據(jù)，然后計(jì)算用電負(fù)荷及用電費(fèi)用。人工操作雖然容易實(shí)現(xiàn)和管理，但是不可避免地也會(huì)遇到很多問(wèn)題，如效率低下，工作人員數(shù)量需求大，工作量多，完成的任務(wù)卻有限;錯(cuò)誤率高，人工操作往往存在很多漏洞，使用戶或電力公司遭受巨大的損失;難以監(jiān)控，對(duì)偷電、漏電現(xiàn)象，很難采取有效的方法進(jìn)行監(jiān)控、取證;顯然，上述弊端使得人工抄表管理模式不能適應(yīng)電力體制的改革，也直接阻礙了諸如分時(shí)電價(jià)運(yùn)營(yíng)、預(yù)支電費(fèi)等先進(jìn)管理模式的推行。采用ZigBee技術(shù)可以很好地解決下段信道的供電效益問(wèn)題，無(wú)線抄表技術(shù)能夠更好地為廣大用戶提供服務(wù)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，是一組基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有抄表終端分布較密集、距離較近的情況，基于Zig2Bee的無(wú)線組網(wǎng)能很好地解決自動(dòng)抄表系統(tǒng)下段信道出現(xiàn)的問(wèn)題。

1總體設(shè)計(jì)方案

抄表系統(tǒng)整體采用分布式體系結(jié)構(gòu)，用電管理中心與集中器之間（上層）數(shù)據(jù)的采集采用星型結(jié)構(gòu);集中器與采集器之間（下層）數(shù)據(jù)的采集采用總線型結(jié)構(gòu)。無(wú)線抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

上層通信以電力局中心的系統(tǒng)主站為中心，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與分散于各物業(yè)小區(qū)的集中器連接，形成1對(duì)n的連接形式，實(shí)現(xiàn)集中器和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線連接;下層通信包括集中器對(duì)電表參數(shù)的采集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)，以及轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)下達(dá)的指令和對(duì)電表進(jìn)行控制操作等。出于成本與通信可靠性的考慮，設(shè)計(jì)了采集器。每棟居民樓設(shè)置一個(gè)采集器，電表通過(guò)RS-485總線或者電力線載波與采集器進(jìn)行通信，采集器通過(guò)天線與小區(qū)中心的集中器進(jìn)行通信。

2集中器硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的集中器采用無(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。集中器的主要功能有：

①執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，負(fù)責(zé)ZigBee通信協(xié)議與GPRS通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換;

②承擔(dān)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)和遇錯(cuò)重發(fā)（ARQ）功能;

③對(duì)用戶提供透明連接;

④通信過(guò)程使用密匙校驗(yàn);

無(wú)線數(shù)據(jù)集中器主要由無(wú)線數(shù)傳模塊（包括ZigBee模塊和GPRS模塊）、外部存儲(chǔ)單元、本地通信接口、微處理器（MCU）、電源模塊和時(shí)鐘單元組成。

2.1控制芯片的選擇

集中器控制芯片采用Microchip公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型44引腳TQFP封裝閃存8位單片機(jī)PIC18F4620芯片，其特點(diǎn)如下：

①具有4種晶振模式，3種類(lèi)別功耗管理模式;

②頻率最高為40MHz，21bit程序計(jì)數(shù)器，可以對(duì)2MB的程序存儲(chǔ)器空間進(jìn)行尋址，帶有64KB的閃存;

③3個(gè)可編程外部中斷;

④主同步串行口模塊，支持3線SPI（4種模式）和I2C主/從模式;

⑤增強(qiáng)型可尋址USART模塊，支持RS-485、RS-232和LIN1.2;

⑥最多兩個(gè)捕捉/比較/PWM（CCP）模塊，其中一個(gè)模塊具有自動(dòng)關(guān)閉功能;

⑦具有自動(dòng)關(guān)閉、重啟和波特率自動(dòng)檢測(cè)功能;

⑧最多13路通道的10bitA/D轉(zhuǎn)換器模塊;

⑨可編程16級(jí)高/低壓檢測(cè)模塊;

⑩8×8單周期硬件乘法器，2.0～5.5V寬工作電壓范圍;

PIC18F4620片內(nèi)FlashROM用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序、通信協(xié)議;UART接口連接GPRS無(wú)線通信模塊;SPI接口連接ZigBee無(wú)線通信模塊;10bitA/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電池電壓檢測(cè)、模擬量輸入;其余的通用I/O端口分別實(shí)現(xiàn)集中器的各種控制和傳輸功能。

2.2ZigBee無(wú)線模塊的設(shè)計(jì)

CC2420無(wú)線收發(fā)芯片是一個(gè)2.4GHz射頻收發(fā)芯片 ，具有低功耗特性，接收器采用低～中頻變頻接收，發(fā)射器采用直接變頻發(fā)射。CC2420的性能超過(guò)了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中要求的性能指標(biāo)，可以確保長(zhǎng)距離、有效、可靠的通信。ZigBee收發(fā)模塊由CC2420芯片和2.4GHz射頻天線以及相應(yīng)的阻抗匹配電路組成。芯片外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和單片機(jī)接口電路3部分。電路采用16MHz無(wú)源晶振，其負(fù)載電容值約為27pF。射頻輸入/輸出匹配電路用來(lái)匹配芯片的射頻輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50Ω，同時(shí)為芯片內(nèi)部的功率放大器和低噪聲放大器提供直流偏置。CC2420芯片通過(guò)4線SPI口（SI、SO、SCLK、CSn）與PIC18F4620連接，實(shí)現(xiàn)芯片工作模式的設(shè)置，并實(shí)現(xiàn)讀/寫(xiě)緩存數(shù)據(jù)和讀/寫(xiě)狀態(tài)寄存器。從天線接收到的射頻信號(hào)首先經(jīng)過(guò)低噪聲放大器和正交下變頻到2MHz的中頻信號(hào)，該混合I/Q信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。后經(jīng)自動(dòng)增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴(kuò)，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。發(fā)射機(jī)部分采用直接上變頻。

2.3GPRS模塊設(shè)計(jì)

GPRS采用的MC35模塊主要由射頻天線、內(nèi)部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個(gè)40引腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議處理器，用來(lái)處理外部系統(tǒng)通過(guò)串口發(fā)送的AT指令。射頻天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，以及外部射頻信號(hào)與內(nèi)部基帶處理器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換。

3集中器軟件設(shè)計(jì)

完整的ZigBee協(xié)議棧自上而下由應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。Microchip的協(xié)議棧根據(jù)ZigBee規(guī)范的定義來(lái)給邏輯分層。

用戶應(yīng)用程序總是與應(yīng)用編程支持層（APS）和應(yīng)用層（APL）交互。每層的API都是簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言宏，調(diào)用下一層的函數(shù)。該方法可以避免與模塊化相關(guān)的典型開(kāi)銷(xiāo)。APL模塊提供高級(jí)協(xié)議棧管理功能。用戶應(yīng)用程序使用APL模塊來(lái)管理協(xié)議棧功能。zAPL.c文件實(shí)現(xiàn)了APL邏輯，而zAPL.h文件定義APL模塊支持的API。用戶應(yīng)用程序?qū)瑉APL.h頭文件來(lái)訪問(wèn)其API。

集中器與采集器之間的通信采用定長(zhǎng)格式。數(shù)據(jù)幀由數(shù)據(jù)模式、目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)信息與校驗(yàn)和5部分構(gòu)成。

待發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入256Byte的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過(guò)硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4bit被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到D/A轉(zhuǎn)換器。然后，經(jīng)過(guò)低通濾波和上變頻的混頻后被調(diào)制到2.4GHz，并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。

3.2軟件實(shí)現(xiàn)方案

集中器對(duì)電表的操作通常是每幀只針對(duì)一個(gè)電表，故集中器在收到主控計(jì)算機(jī)下發(fā)命令幀后，要將數(shù)據(jù)幀進(jìn)行拆分，轉(zhuǎn)換成與電表交互的命令格式。

集中器軟件進(jìn)程啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化工作。初始化成功后，啟動(dòng)GPRS模塊進(jìn)行工作。對(duì)于主控計(jì)算機(jī)下發(fā)的命令幀，由于數(shù)據(jù)量過(guò)大或故障造成延緩，集中器可能無(wú)法及時(shí)應(yīng)答，造成主控計(jì)算機(jī)連接失敗。為了解決這個(gè)問(wèn)題，抄表前先接收主站命令，將集中器在運(yùn)行中的數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)文件中，遇到通信異常時(shí)從數(shù)據(jù)文件中恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個(gè)循環(huán)隊(duì)列來(lái)存儲(chǔ)主控計(jì)算機(jī)下發(fā)的命令幀和發(fā)送端口號(hào)，并按照對(duì)應(yīng)的主控計(jì)算機(jī)的端口回傳應(yīng)答數(shù)據(jù)。集中器每次下達(dá)命令后可以立即接收到電表的回應(yīng)。如果因意外不能收到回應(yīng)，集中器將重發(fā)命令。如果4次重發(fā)均未收到回答或回答不正確，則按故障處理。集中器每隔10min對(duì)每個(gè)電表的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行一次檢測(cè)，根據(jù)電表回傳數(shù)據(jù)判斷電表狀態(tài)是否正常。若工作不正常，則進(jìn)行相應(yīng)處理，并上報(bào)主控計(jì)算機(jī)。

4結(jié)語(yǔ)

采用ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)組建了一個(gè)無(wú)線傳輸信道，縮短了單段的傳輸距離，削弱了信道衰減與干擾的影響，提高了信道傳輸?shù)姆€(wěn)定性。該無(wú)線抄表系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①電表抄錄數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確，系統(tǒng)的傳輸容量大。②可對(duì)電表設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、參數(shù)調(diào)整、開(kāi)關(guān)等控制操作。③安裝、維護(hù)方便，不需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)布線。④集中抄表范圍廣，GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，ZigBee技術(shù)使擴(kuò)容無(wú)限制。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)抄表用戶的不同分布，可靈活地構(gòu)建抄表的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。甚至可以將ZigBee無(wú)線模塊集成到電能表、水表和燃?xì)獗碇?，從而完全?shí)現(xiàn)居民區(qū)集中抄表、不用布線、快速組網(wǎng)，而且可以三表統(tǒng)一抄收。

參考文獻(xiàn)

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