一種基于ZigBee的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李清海，朱 黎，田相鵬

(湖北民族大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

隨著智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的抄表系統(tǒng)逐漸被智能電表系統(tǒng)取代[1].目前智能電表的數(shù)據(jù)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(huì)造成智能電表系統(tǒng)集成表箱里走線(xiàn)復(fù)雜，且在發(fā)生通訊故障時(shí)復(fù)雜走線(xiàn)會(huì)使維護(hù)難度加大[2]；基于Wi-Fi通訊雖然可以滿(mǎn)足智能電表系統(tǒng)的通訊要求，但電表都常常安裝在樓層的電井表箱內(nèi)，通訊質(zhì)量在封閉環(huán)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(tǒng)雖然解決了表箱內(nèi)走線(xiàn)復(fù)雜、二次維護(hù)復(fù)雜的問(wèn)題，但目前的Nb-IoT模塊價(jià)位相對(duì)較高，這樣使智能電表的性?xún)r(jià)比下降[4].荊永震等[5]提出了以L(fǎng)oRa通訊為通訊主體的抄表方案，該方案采用SX1278調(diào)制解調(diào)無(wú)線(xiàn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離、高通訊率的數(shù)據(jù)傳播，適用于居民區(qū)、商業(yè)廣場(chǎng)等場(chǎng)景的用電系統(tǒng).但是目前的LoRa相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較昂貴，性?xún)r(jià)比較低.曹舒[6]提出了一種將ZigBee通訊技術(shù)與GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的智能電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)外擴(kuò)無(wú)線(xiàn)通信接口接入相應(yīng)的無(wú)線(xiàn)模塊，造成軟件設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，硬件成本高的問(wèn)題.

本文設(shè)計(jì)的智能電表采集終端通過(guò)STM32作為主控芯片來(lái)讀取計(jì)量芯片采集到的電氣參數(shù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸給CC2530模塊，并由CC2530發(fā)送給網(wǎng)關(guān)模塊；網(wǎng)關(guān)模塊作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)里的協(xié)調(diào)器收集所有終端數(shù)據(jù)，再基于LwIP協(xié)議把數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器；服務(wù)器則能遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控各個(gè)電表的運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)量參數(shù)且改變各個(gè)電表的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)電表數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集與開(kāi)關(guān)控制.ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)具有成本低廉、功耗低微、時(shí)延短暫、自組能力強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，還可以大大簡(jiǎn)化集中表箱中的走線(xiàn)，方便后期的維護(hù).

1 系統(tǒng)框架

如圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，各個(gè)電表為組網(wǎng)里的終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)電表的控制芯片STM32F103來(lái)讀取計(jì)量芯片采集到的電氣參數(shù)，然后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸給CC2530芯片.各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)用CC2530芯片的射頻模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器經(jīng)串口將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)的主控芯片STM32F429，數(shù)據(jù)在主控芯片內(nèi)被分類(lèi)處理后最終通過(guò)網(wǎng)口傳給服務(wù)器.

圖1 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of remote meter reading system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能電表結(jié)構(gòu)

智能電表主要是由計(jì)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(jīng)電壓電流采集電路將電氣參數(shù)存入計(jì)量芯片ATM90E26的寄存器中，計(jì)量芯片再通過(guò)SPI通信傳輸給控制芯片.數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)控制芯片數(shù)據(jù)還原打包處理后，通過(guò)串口給ZigBee通訊模塊再傳給網(wǎng)關(guān)，同時(shí)數(shù)據(jù)還會(huì)通過(guò)串口傳輸?shù)酱谄辽巷@示.周?chē)哪K電路受到主控芯片控制，電源模塊給整個(gè)系統(tǒng)提供需要的工作電壓.智能電表終端結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 智能電表結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The structure of intelligent meter

2.2 智能電表電源電路設(shè)計(jì)

本電路主要是給整個(gè)智能電表提供穩(wěn)定的+5 V和+3.3 V的穩(wěn)定工作電壓[7].市電220 V電壓的火線(xiàn)端接L_IN，零線(xiàn)端接N_IN.保險(xiǎn)絲F1，溫敏電阻R16，壓敏電阻RV1組成保護(hù)電路.保險(xiǎn)絲在電流過(guò)大時(shí)會(huì)自動(dòng)熔斷，起到保護(hù)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(shí)的沖擊電流過(guò)大，且電流過(guò)大時(shí)線(xiàn)路溫度升高，溫敏電阻的阻值上升從而達(dá)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(guò)濾掉市電中的高頻信號(hào)與共模干擾，共模電容、電感的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

其中：VX是電容CX上的壓降，Iy是對(duì)地漏電流，對(duì)地漏電流要求越小越好，一般標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換為+12 V的直流電壓，12 V的直流電壓再經(jīng)穩(wěn)壓器U4與U5輸出+5 V、+3.3 V的電壓.系統(tǒng)電源電路原理圖如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)電源電路Fig.3 System power circuit

2.3 智能電表計(jì)量電路設(shè)計(jì)

計(jì)量電路主要以計(jì)量芯片ATM90E26為核心的測(cè)量電路，計(jì)量芯片ATM90E26芯片內(nèi)部集成了三個(gè)Σ-Δ型ADC[8].Σ-Δ型ADC將采樣電路的模擬信號(hào)經(jīng)Σ-Δ調(diào)制器以及數(shù)字濾波器處理后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送至DSP模塊中.DSP模塊將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理后，把計(jì)算得到的電能、功率、電壓、頻率等電氣信息放至相應(yīng)的寄存器[9].如圖4所示，火線(xiàn)與零線(xiàn)分別經(jīng)過(guò)電壓電流采樣電路后，將電壓值縮小至計(jì)量芯片可測(cè)量的電壓范圍，本設(shè)計(jì)將計(jì)量芯片測(cè)量增益配置為1時(shí)，電壓電流端口交流有效值電壓為120 μV～600 mV.零線(xiàn)的電流測(cè)試端口為引腳I2P與I2N，火線(xiàn)的電流測(cè)試端口為引腳I1P與I1N，就此完成電流采集；電壓值測(cè)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(dāng)輸入低電平時(shí)計(jì)量芯片與控制芯片STM32F103為SPI通信，當(dāng)輸入高電平時(shí)計(jì)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(yù)留電阻，在焊接時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)傳輸給控制芯片.OSCO與OSCI連接一個(gè)8 MHZ的無(wú)源晶振為計(jì)量提供工作頻率.

圖4 計(jì)量電路Fig.4 Measurement circuit

2.4 智能電表掉電檢測(cè)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(gè)由運(yùn)算放大器組成的電壓跟隨器將電流放大至可以驅(qū)動(dòng)光電耦合器，當(dāng)通電時(shí)，光電耦合器導(dǎo)通，給控制芯片的ADC端口一個(gè)電壓值.當(dāng)斷電時(shí)，ADC采集電壓為0 V，控制芯片將斷電信息上傳給服務(wù)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(cè)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(guò)輸出高低電平來(lái)控制繼電器的開(kāi)合；即操作人員可以在遠(yuǎn)程通過(guò)服務(wù)器，發(fā)動(dòng)操作指令給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)模塊控制電表的控制芯片，最終控制繼電器的開(kāi)合來(lái)選擇是否給用戶(hù)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(shè)計(jì)

如圖7所示，此模塊使用CC2530射頻芯片，芯片內(nèi)部集成了8051單片機(jī)及無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，集成PA+LNA，極大的擴(kuò)展通信距離、提升通信穩(wěn)定性[10].除此之外協(xié)調(diào)器上電自動(dòng)組建網(wǎng)絡(luò)，終端和路由器自動(dòng)搜索并加入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)丟失，其他網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)加入或保持原網(wǎng)絡(luò)；若是協(xié)調(diào)器丟失，原網(wǎng)絡(luò)存在非孤立節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器可再次加入該網(wǎng)絡(luò)或者相同用戶(hù)設(shè)置的原網(wǎng)絡(luò)PAN_ID的協(xié)調(diào)器加入原網(wǎng)絡(luò)[11].并且設(shè)備在終端狀態(tài)下可以設(shè)置為低功耗模式，低功耗模式下待機(jī)功耗小于2 μA.這樣的特性保證了電表的無(wú)線(xiàn)通信質(zhì)量.本文中將電表設(shè)置為終端，將網(wǎng)關(guān)設(shè)置為協(xié)調(diào)器進(jìn)行組網(wǎng).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(jù)實(shí)際需求選擇通訊方式.RF_P與RF_N為射頻模塊的天線(xiàn)引腳，P2_4與P2_3是給51單片機(jī)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(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)STM32F429為MCU，搭配相關(guān)外設(shè)組成的.將一個(gè)電表柜里的所有電表通過(guò)ZigBee組網(wǎng)最終與協(xié)調(diào)器無(wú)線(xiàn)通信，ZigBee組網(wǎng)內(nèi)的協(xié)調(diào)器通過(guò)串口來(lái)與MCU通信，將各個(gè)電表的電氣信息收集起來(lái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過(guò)串口發(fā)送給網(wǎng)卡，如圖8所示，U1為以太網(wǎng)收發(fā)器LAN8720A，支持通過(guò)RMII接口與以太網(wǎng)通信，MUC將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)引腳1-9組成的RMII接口發(fā)送給網(wǎng)卡,然后通過(guò)引腳TXN、TXP、RXN、RXP組成的MDI接口與以太網(wǎng)接口J1相連，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)互傳.

圖8 網(wǎng)關(guān)模塊電路Fig.8 Gateway module circuit diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 智能電表終端軟件設(shè)計(jì)

電能表軟件設(shè)計(jì)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境采用美國(guó)Keil Software公司開(kāi)發(fā)的Keil μVision 5，它支持ARM芯片[12]，設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用C語(yǔ)言編程.如圖9所示，當(dāng)打開(kāi)電表開(kāi)關(guān)按鈕，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，即對(duì)STM32需要工作的GPIO、ADC、SPI通信、串口通信、外部中斷等進(jìn)行初始化；初始化結(jié)束后利用ADC和掉電檢測(cè)模塊對(duì)火線(xiàn)進(jìn)行電壓檢測(cè)；若沒(méi)有電壓則觸發(fā)外部中斷，蜂鳴器警報(bào)，且STM32通過(guò)電池供電進(jìn)入低功耗模式，將掉電事件發(fā)送給網(wǎng)關(guān)報(bào)告服務(wù)器.當(dāng)火線(xiàn)上有電壓時(shí)，啟動(dòng)計(jì)量芯片ATM90E26，STM32運(yùn)用SPI通訊讀取計(jì)量芯片的數(shù)據(jù)寄存器；由于寄存器內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并不是真實(shí)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，STM32需要通過(guò)正確的算法將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口顯示到串口屏上和通過(guò)ZigBee模塊發(fā)送給網(wǎng)關(guān).

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

3.2 網(wǎng)關(guān)模塊軟件設(shè)計(jì)

通信協(xié)議上使用的是LwIP協(xié)議.LwIP協(xié)議是輕量化的TCP/IP協(xié)議，它可以用少量的資源消耗實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為完整的TCP/IP協(xié)議棧，首先對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行初始化，然后從網(wǎng)卡接收一個(gè)數(shù)據(jù)包，獲取數(shù)據(jù)包的方式有兩種，一種是查詢(xún)方式，另一種是中斷方式.查詢(xún)方式通過(guò)主函數(shù)的While循環(huán)進(jìn)行周期性處理，去獲取網(wǎng)卡中是否接收到數(shù)據(jù)包，然后遞交給上層協(xié)議取出來(lái)，而中斷方式則是在網(wǎng)卡接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)候，就觸發(fā)中斷，通知CPU去處理，這樣效率就會(huì)高很多.本文采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)封裝成消息投遞到LwIP內(nèi)核上.在網(wǎng)關(guān)模塊主函數(shù)里，主要是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解處理，在協(xié)議棧里規(guī)定了數(shù)據(jù)以20字節(jié)的形式傳輸，當(dāng)20字節(jié)滿(mǎn)了數(shù)據(jù)才會(huì)傳輸給MCU里，然后再將數(shù)據(jù)包的標(biāo)志位清除，留下真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行還原，還原后的數(shù)據(jù)再以L(fǎng)wIP協(xié)議的方式傳輸給服務(wù)器.主函數(shù)的流程圖如圖10所示.除此之外，網(wǎng)關(guān)還可以接收服務(wù)器的操作指令，對(duì)網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制.

圖10 網(wǎng)關(guān)主函數(shù)流程圖Fig.10 Gateway main function flow chart

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 組網(wǎng)測(cè)試

為了測(cè)試節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行效果，在實(shí)驗(yàn)室中搭建測(cè)試網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試.測(cè)試網(wǎng)絡(luò)由5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊(協(xié)調(diào)器)組成星型網(wǎng)絡(luò).1臺(tái)PC機(jī)通過(guò)RS-232與網(wǎng)關(guān)相聯(lián)，同時(shí)配置網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手對(duì)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)通信情況進(jìn)行監(jiān)聽(tīng).網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手能夠監(jiān)聽(tīng)到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)模塊的采集數(shù)據(jù)如圖11所示，采集數(shù)據(jù)包括接入智能電表火線(xiàn)上的電流、電壓、有功功率、視載功率、消耗的電量以及零線(xiàn)上的電流.由于測(cè)試時(shí)終端沒(méi)有接入測(cè)試電壓和用電器，所以各項(xiàng)電氣數(shù)值顯示為0，但可以驗(yàn)證終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)是完整的傳輸給服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)模塊可以正常的運(yùn)行且遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)用戶(hù)的各個(gè)電氣參數(shù).

圖11 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手Fig.11 Network debugging assistant

同時(shí)，由于ZigBee技術(shù)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)Wi-Fi都是在ISM 2.4 GHz頻段上的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，這兩種短距離通信系統(tǒng)共處同一空間應(yīng)用也越來(lái)越普遍，室內(nèi)環(huán)境下的同頻干擾問(wèn)題變得尤為突出.在上述測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中布置3個(gè)Wi-Fi干擾源，3個(gè)干擾源分別工作在3個(gè)不同的信道(1、 6和11)，選擇其中1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊(協(xié)調(diào)器)進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)通信測(cè)試同頻干擾情況，調(diào)整該終端節(jié)點(diǎn)的信道依次從11信道到26信道，測(cè)出在Wi-Fi干擾源信道不變的情況下，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中16個(gè)信道的通信質(zhì)量情況.同頻干擾測(cè)試結(jié)果如圖12所示，橫坐標(biāo)是ZigBee信道，縱坐標(biāo)是誤包率.通過(guò)結(jié)果可以看出，在所有信道中，PER較低的是第15，20，25，26這四個(gè)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(dá)到波峰，驗(yàn)證了在這幾個(gè)頻譜范圍Wi-Fi與ZigBee發(fā)生了重疊，而在第15，20，25，26信道上，PER較小，滿(mǎn)足通訊要求.上述測(cè)試結(jié)果為本采集系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境下中的實(shí)際應(yīng)用提供了一定的參考.

圖12 3個(gè)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(cè)試

智能電表通過(guò)計(jì)量芯片測(cè)量用電設(shè)備的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因素、電能量.由于計(jì)量芯片將相關(guān)數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)寄存器中，主控芯片通過(guò)SPI通訊讀取出后發(fā)送至主控芯片的串口上，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)單相智能電能表的規(guī)格要求，精確度應(yīng)為有功2級(jí)，有功功率誤差在控制在±2%之間.即功率因數(shù)為1、電壓范圍在0.9 Un～1.1 Un(Un為參比電壓220 V)時(shí)，允許相對(duì)誤差控制在±2%之間.進(jìn)行電壓改變測(cè)試有功誤差實(shí)驗(yàn)，智能電表終端接入一個(gè)發(fā)熱用電設(shè)備，通過(guò)改變擋位來(lái)調(diào)整用電功率.發(fā)熱用電設(shè)備功率因數(shù)趨近于1，數(shù)據(jù)如表1所示，誤差率皆滿(mǎn)足規(guī)范要求.

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental test data

5 結(jié)語(yǔ)

首先介紹了基于智能電表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的主要通訊方式和研究現(xiàn)狀，在此背景下提出了基于ZigBee技術(shù)的智能電表用電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).本文從硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩方面入手，利用STM32與CC2530模塊的低功耗、高速率的特點(diǎn)，將兩者作為智能電表硬件設(shè)計(jì)的主控芯片和數(shù)據(jù)傳輸方式，同樣利用ZigBee技術(shù)的高性?xún)r(jià)比，將各個(gè)智能電表終端組網(wǎng)由網(wǎng)關(guān)模塊統(tǒng)一管理.文章著重基于LwIP協(xié)議的輕量化的特點(diǎn)，使其作為網(wǎng)關(guān)的協(xié)議棧與服務(wù)器通訊，構(gòu)成完整的智能電表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).經(jīng)過(guò)PCB開(kāi)板調(diào)試實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)可以正常穩(wěn)定的運(yùn)行，數(shù)據(jù)可以正常傳送至服務(wù)器.可以預(yù)見(jiàn)，由于ZigBee技術(shù)的低功耗、高性?xún)r(jià)比，未來(lái)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域還有廣闊的前景[13].