引言

　　人工抄電表給工作人員帶來麻煩，隨著技術的發(fā)展，技術人員就設計另一種更方便的電表，智能卡電表和有線自動抄電表系統(tǒng)都存在一定的不足和成本高的問題。隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設備無線聯(lián)網要求的ZigBee技術。系統(tǒng)的方案應當是前期投入的成本低，運行成本非常低甚至沒有。由此本文提出一種基于 ZigBee技術抄電表方案。

　　1 ZigBee 技術特點

　　蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置等信息，這種肢體語言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達信息的方式。借此意義Zigbee作為新一代無線通訊技術的命名。在此之前Zigbee也被稱為“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”無線電技術，目前統(tǒng)稱為Zigbee。

　　簡單的說，Zigbee是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡。Zigbee數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。

　　ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz（流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術，ZigBee具有如下特點：

　　（1） 低功耗： 由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。

　　（2） 成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5—2.5美元， 并且ZigBee協(xié)議是的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

　　（3） 時延短： 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應用。

　　（4） 網絡容量大： 一個星型結構的Zigbee網絡多可以容納254個從設備和一個主設備， 一個區(qū)域內可以同時存在多100個ZigBee網絡， 而且網絡組成靈活。

　　（5） 可靠： 采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避開了發(fā)送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式， 每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

　　（6） 安全： ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和， 采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

　　應用可以靈活確定其安全屬性。

　　2 CC2430芯片的簡介

　　2.1 CC2430芯片的主要特征：

　　（1） 高性能和低功耗的 8051微控制器核。

　　（2） 集成符合 IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機。

　　（3） 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。

　　（4） 在休眠模式時僅 0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng) ;在待機模式時少于0.6μ A的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。

　　（5） 硬件支持 CSMA/CA功能。

　　（6） 較寬的電壓范圍（ 2.0～3.6 V）。

　　（7） 數字化的 RSSI/LQI支持和強大的DMA功能。

　　（8） 具有電池監(jiān)測和溫度感測功能。

　　（9） 集成了 14位模數轉換的 ADC。

　　（10） 集成 AES安全協(xié)處理器。

　　（11） 帶有 2個強大的支持幾組協(xié)議的USART，以及 1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和 2個8位計時器。

　　（12） 強大和靈活的開發(fā)工具。

　　2.2 CC2430引腳介紹

　　圖 1為 CC2430的頂視圖。其中外露的芯片安裝襯墊必須連接到 PCB的接地層，芯片通過該處接地。CC2430具有CC2420RF接收器以及增強性能的 8051MCU、8KBRAM等，其增強的 8051MCU核的性能是工業(yè)標準 8051核性能的 8倍。CC2430還具備直接存儲器定址（DMA）功能（它能夠被用于減輕

　　8051微控制器內核對數據搬移，因此提高了芯片整體的性能）、可編程看門狗定時器、 AES-128安全協(xié)處理器、多達 8輸入的 8-14位ADC、USART、睡眠模式定時、上電復位、掉電檢測電路（Brown Out Detection）、21個可編程I/O管腳等，兩個可編程的 USART用于主 /從 SPI或 UART操作。帶外部功放的 CC2430參考設計可提供+10dBm的輸出功率。全部引腳可分為 I/O 端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。

　　3 基于 ZigBee技術的無線抄電表系統(tǒng)

　　3.1設計的總體方案基于

    ZigBee技術的無線抄電表系統(tǒng)如圖 2所示。

　　各部分的主要功能如下：

　　（1）數據庫和控制中心 : 具有建立、管理整個網絡的功能，對網絡進行監(jiān)控；可設置定期和隨機向 DCT發(fā)送數據采集命令，接受數據，并存儲數據；對數據庫進行管理。

　　（2） 工作站： 起數據上傳下送的中繼作用，負責啟動、配置、協(xié)調整個Zigbee無線網絡，可將控制中心發(fā)出的命令發(fā)給DCT，具有存儲轉發(fā)的功能；每個工作站可以暫存下屬 DCT的數據；可以查看用電記錄、 DCT和電表狀態(tài)等數據。

　　（3） DCT：脈沖采集和無線傳輸部分，具有脈沖采集、存儲、接受指令和發(fā)送數據的功能，接受工作站發(fā)送的指令并按指令去完成的動作。

　　3.2 系統(tǒng)功能介紹：

　　1. DCT采集功能：

　　（1） DCT電源部分：采用兩節(jié)五號電池，更換可以維持半年至兩年。

　　（2） DCT數據表存儲器：這部分要有一定的空間存放數據，當數據量較少時，可以利用芯片的Flash存放，如果數據量較大，可以留個備用接口，可對容量進行擴展。

　　（3） DCT計時系統(tǒng)：

　　a.主要提供時鐘進行等間隔取樣和啟動預設任務和程序。

　　b.可以通過遙控指令進行校正。

　　（4） DCT脈沖采集接口：與電能表相連的DCT應設一個緩沖界面，通過這個界面，可以切換到不同型號電能表，使可對多種電能表進行脈沖采集，轉變?yōu)橄鄳葦怠?/P>

　　（5） 采集方式：可以定期采集，也可以在接到控制中心命令后進行隨機采集，與電能表連接的 DCT可以隨機采集脈沖。

　　（6） 外設接口：可以讓相關人員直接用手提電腦連接控制器，進行檢測和排除故障等功能。

　　2. 無線發(fā)送、接收功能：工作站每隔一段時間后定期實現(xiàn)對其范圍內的采集點進行信息的傳遞和匯集。

　　（1）各個 DCT可看作節(jié)點，通過無線Zigbee逐次節(jié)點來傳輸信息；每個節(jié)點出現(xiàn)異常，都可以通過外設接口進行處理。

　　（2）發(fā)送：個節(jié)點指向第二個節(jié)點，當第二個節(jié)點狀態(tài)無效時，個節(jié)點指向第三個節(jié)點，以此類推；即對同伴 ID寄存器的 ID呼叫，如果A沒有回答，呼叫 B；B也沒有回答，呼叫 C；如果沒有回答，要把狀態(tài)寫到狀態(tài)寄存器。

　　（3） 個節(jié)點呼叫第二個節(jié)點，發(fā)送呼叫信號判斷第二個 DCT狀態(tài)是否有效：

　　a.有效：發(fā)送呼叫個節(jié)點傳輸數據的應答信號。

　　b.無效：發(fā)送失敗應答信號、并傳輸第二個節(jié)點狀態(tài)和第三個節(jié)點 ID給第三節(jié)點。

　　（4） 接收應答信號：

　　a.傳輸數據的應答信號：向第二節(jié)點傳輸數據。

　　b.失敗的應答信號：當超過預定時間沒有收到應答，重發(fā)；重發(fā)超過 5次，就判定失敗，存儲第二個節(jié)點狀態(tài)，向第三節(jié)點發(fā)送呼叫信號。

　　（5） 接收數據：

　　a.誤差檢測。

　　b.出錯處理。

　　（6） 傳輸數據完畢，指示該 DCT清空。

　　3.節(jié)點功能：

　　（1）  采集以及存儲：通過計時器以及脈沖輸入計數器記錄在單位時間內的數據足夠的儲存空間儲存未上交的數據，數據發(fā)送并得到確認后，自動清空儲存空間，繼續(xù)記時。

　　（2） 節(jié)點數據的發(fā)送：為了不引起數據傳輸時的數據沖突，每個節(jié)點設置不同的固定的發(fā)送時間。

　　（3） 節(jié)點數據的接受：節(jié)點擁有接受工作站命令以及中轉其他節(jié)點信息功能，設計拓撲網絡以及轉發(fā)表，規(guī)定具體數據接受，轉發(fā)以及拋棄。遇到堵塞節(jié)點上交異常消息。

　　（4） 與工作站相連的收發(fā)節(jié)點能定時發(fā)送檢測信號，觀察各節(jié)點運行狀況，并上交具體故障點。該節(jié)點與工作站以串口方式連接。

　　4. 網絡傳輸功能：控制中心能對內部局域網的所有工作站匯集信息進行 TCP/IP傳輸、存儲。

　　（1）各個工作站通過局域網網絡傳輸數據至控制中心：

　　a. 建立 NFS（網絡文件系統(tǒng)）；

　　b. 建立主機（控制中心）、客戶端（工作站）應用程序。

　　（2）控制中心建立數據庫，存儲所有工作站的信息。

　　5. 控制中心數據庫查詢功能：

　　（1） 查詢管理：按 ID查詢、出錯狀態(tài)查詢，對數據源數據能進行動態(tài)預覽。

　　（2） 統(tǒng)計功能：按照具體的條件進行統(tǒng)計，對統(tǒng)計結果能進行動態(tài)預覽。

　　（3） 控制中心通過數據庫可查詢所有數據源的ID、狀態(tài)和數值。

　　（4） 員工管理：員工信息添加、修改、刪除、權限設置等。

　　（5） 權限管理：

　　a.權限：對數據庫有全權控制，該權限無法通過網絡進入，須在控制中心才能行使該職能。

　　b.一般權限：需驗證登錄，用戶可通過瀏覽器進入控制中心瀏覽數據庫相關記錄，但不能修改。

　　6. 數據源狀態(tài)監(jiān)測：通過 4字節(jié)（32位）來實現(xiàn)數據點當前狀態(tài)的定義。

　　4.結束語

　　本文介紹了一種基于 ZigBee技術的無線抄電表系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的ZigBee技術具有協(xié)議簡單，成本低，傳輸可靠，數據安全性高，雙向無線通信技術等優(yōu)點。不過CC2430可能由于功率的限制，傳輸距離還有待提高。個人水平經驗所限，還有許多可以進一步完善地方，特別是網絡接口部分。

　　1、準確度等級：1.0級，基本誤差、起動、潛動符合國標要求。

　　2、電流規(guī)格：2.5（10）A　5（20）A　10（40）A　20（80）A　30（120）A

　　3、電表常數：1600imp/kWh　800imp/kWh

　　4、功耗<1.0W

　　5、非接觸式（射頻）IC卡技術：采用世界上的射頻IC卡及基站技術，全密封、非接觸，防潮、防水、防攻擊、防竊電、抗磁、抗干擾性能好。

　　6、數據表決糾錯技術：表內每個數據存放在五處，若萬一數據出錯，則另外幾處可對其進行糾錯，從而作到數據可靠，萬無一失。