0 引言
隨著城市居民住宅建設日益發展，獨立電能表數量迅速增多，抄表計量也日趨復雜。近年來用電形勢越來越緊張，分時電價已勢在必行。由于長距離室內外的布線存在著短路、斷線隱患，錯綜復雜的線路使系統調試和維護困難重重，傳統的遠程集中抄表方式已不能滿足電力公司日益增長的業務需求。采用ZigBee無線模塊可以很好地解決下段信道的供電效益問題，ZigBee無線數傳抄表技術能夠更好地為廣大用戶提供服務。
ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，是一組基于IEEE 802．15．4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的技術。它支持3種主要的自組織無線網絡類型，即星型結構、網狀結構和簇狀結構。可由多到65000個無線數傳模塊組成無線數傳網絡，每個網絡節點間的距離可以從標準的75 m到擴展后的幾百米，甚至幾千米。無線數據傳輸速率高達76．8 kb／s。
GPRS(通用無線分組業務)技術是在現有的GsM網絡上增加的一種新型分組數據傳輸技術，具有永久在線、快速登錄、高速傳輸、按量計費、自動切換、安全可靠等優點。現有的GPRS實際數據傳輸速率約為40 kb／s。
本文采用ZigBee無線模塊實現底層采集器與集中器間的數據通信，通過GPRS網絡實現集中器與抄表中心之問的數據傳輸。對于居民小區抄表終端分布較密集、距離較近的情況，基于ZigBee無線模塊組網能很好地解決自動抄表系統下段信道出現的問題。
l 總體方案
抄表系統整體采用分布式體系結構，用電管理中心與集中器之問(上層)數據的采集采用星型結構；集中器與采集器之間(下層)的ZigBee無線數據采集采用總線型結構。無線抄表系統總體結構如圖l所示。
圖l 無線抄表系統總體結構圖
上層通信以電力局中心的系統主站為中心，通過中國移動GPRS網絡與分散于各物業小區的集中器連接，形成1對n的連接形式，實現集中器和數據中心系統的實時在線連接；下層通信包括集中器對電表參數的采集、存儲、轉發，以及轉發上位機下達的指令和對電表進行控制操作等。出于成本與通信可靠性的考慮，設計了采集器(圖l中的ZigBee無線抄表終端)。每棟居民樓沒置一個采集器，電表通過RS-485總線或者電力線載波與采集器進行通信，采集器通過天線與小區中心的集中器進行通信。
2集中器硬件設計
在整個系統中，集中器處于信息傳遞通路的中間位置。該系統的集中器采用無線方式傳輸數據，是整個系統的核心。集中器的主要功能有：
(1)執行協議轉換功能，負責ZigBee通信協議與GPRS通信協議之間的轉換。
(2)承擔存儲、轉發和遇錯重發(ARQ)功能。
(3)對用戶提供透明連接。
(4)通信過程使用密匙校驗。
無線數據集中器主要由無線ZigBee數傳模塊(包括ZigBee模塊和GPRS模塊)、外部存儲單元、本地通信接口、微處理器(MCU)、電源模塊和時鐘單元組成。集中器硬件框圖如圖2所示。
圖2 數據集中器硬件框圖
2．1控制芯片的選擇
集中器控制芯片采用Microchip公司生產的增強型44引腳TQFP封裝閃存8位單片機PICl8F4620芯片，其特點如下：
(1)具有4種晶振模式，3種類別功耗管理模式。
(2)頻率最高為40 MHz，21 bit程序計數器，可以對2 MB的程序存儲器空間進行尋址，帶有64 KB的閃存。
(3)3個可編程外部中斷。
(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)增強型可尋址USART模塊，支持RS-485、RS-232和LIN1．2。
(6)最多兩個捕捉／比較／PWM(CCP)模塊，其中一個模塊具有自動關閉功能。
(7)具有自動關閉、白動重啟和波特率自動檢測功能。
(8)最多13路通道的10 bit A／D轉換器模塊。
(9)可編程16級高／低壓檢測模塊。
(10)8×8單周期硬件乘法器。
(11)2．O-5．5 v寬工作電壓范圍。
PICl8F4620片內nash ROM用于存儲應用程序、通信協議；UART接口連接GPRS無線通信模塊；SPI接口連接ZigBee模塊；10 bitA／D轉換器實現電池電壓檢測、模擬量輸入；其余的通用I／O端口分別實現集中器的各種控制和傳輸功能。
2．2 ZigBee無線模塊的設計
Chipcon公司的無線收發芯片CC2420是一個2．4 GHz射頻收發芯片，采用0．18um CMOS技術，具有低功耗特性，接收器采用低一中頻變頻接收，發射器采用直接變頻發射。CC2420的性能超過了IEEE 802．15．4標準中要求的性能指標，可以確保長距離、有效、可靠的通信。ZigBee數傳模塊由CC2420芯片和2．4 GHz射頻天線以及相應的阻抗匹配電路組成。芯片外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和單片機接口電路3部分。電路采用16 MHz無源晶振，其負載電容值約為27 pF。射頻輸入／輸出匹配電路用來匹配芯片的射頻輸／V輸出阻抗，使其輸入／輸出阻抗為50 n，同時為芯片內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4線SPI口(SI、SO、SCLK、CSn)與PICl8F4620連接，實現芯片工作模式的設置，并實現讀／寫緩存數據和揍／寫狀態寄存器。
從天線接收到的射頻信號首先經過低噪聲放大器和正交下變頻到2 MHz的中頻信號，該混合VQ信號經過濾波、放大，再通過A／D轉換器轉變成數字信號。后經自動增益控制、數字解調和解擴，最終恢復出傳輸的正確數據。發射機部分采用直接上變頻。
2．3 GPRS模塊設計
GPRS模塊采用Siemens公司的GPRS無線通信模塊MC35。Mc35模塊主要由射頻天線、內部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個40引腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當于一個協議處理器，用來處理外部系統通過串口發送的AT指令。射頻天線部分主要實現信號的調制和解調，以及外部射頻信號與內部基帶處理器之間的信號轉換。匹配電源為處理器基射頻部分提供所需的電源。
3 集中器軟件設計
集中器的通信包括兩部分:
(1)與主控計算機通過GPRS網絡與集中器進行通信。
(2)集中器通過ZigBee無線數傳網絡與抄表終端進行通信。
其中ZigBee數傳模塊的設計是實現ZigBee組網的關鍵。
3．1 ZigBee協議棧
完整的ZigBee協議棧自上而下由應用層、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。
Microchip的協議棧根據ZigBee規范的定義來給邏輯分層，其架構如圖3所示。
圖3 MicrocKp協議棧架構
用戶應用程序總是與應用編程支持層(APS)和應用層(APL)交互。每層的API都是簡單的C語言宏，調用下一層的函數。該方法可以避免與模塊化相關的典型開銷。APL模塊提供高級協議棧管理功能。用戶應用程序使用APL模塊來管理協議棧功能。zAPL.c文件實現了APL邏輯．而zAPL．h文件定義APL模塊支持的API。用戶應用程序將包含五APL.h頭文件來訪問其API。
集中器與采集器之間的通信采用定長格式。
數據幀由數據模式、目標地址、數據長度、數據信息與校驗和5部分構成。數據幀格式如圖4所示。
圖4 數據幀格式
數據幀結構中的數據都是16進制數。待發送的數據先被送入256 Byte的發送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動產生的。根據IEEE 802．15．4標準，所要發送的數據流的每4bit被32碼片的擴頻序列擴頻后送到D／A轉換器。然后，經過低通濾和上變頻的混頻后調制到2．4 GHz，并經放大后送到天線發射出去。
3．2軟件實現方案
集中器對電表的操作通常是每幀只針對一個電表，數集中器在受到主控計算機下發命令幀后，將數據幀進行拆分，轉換成電與表交互的命令格式。集中器主程序的流程如圖5所示。
圖5 主程序流稷圖
集中器軟轉述程啟動后，首先進行初始化工作。初始化完成后，啟動GPRS模塊工作。
對于主控計算機下發的命令幀。由于數據量過太或故障造成延緩，集中器可能無法及時應答，造成主控計算機連接失敗。為了解決這個問題，抄表前先接收主站命令，將集中器在運行中的數據記錄到數據文件中，遇到通信異常時從數據文件中恢復現場數據，創建一個循環隊列來存儲主控計算機下發的命令幀和發送端口號，并按照對應的主控計算機端口回傳應答數據。集中器每次下這命令后可以立既接收到電表的回應。如果因意外不能收到回應，集中器將重發命令。如果4次重發均未收到回答或回答不正確，則按故障處理。集中器每隔lO ms對每個電表的運行狀態連行一次ZigBee無線數據采集，根據電表回傳數據判斷電表獲態是否正常。如工作不正常，則進行相應處理，并上報主控計算機。
4 結語
采用低成本的ZigBee無線模塊組網技術，結合GPRS網絡組建了一個無線傳輸信道，鎖縮短了單段的傳輸距離，削弱了信遭衰減與干擾的影響，提高了信道傳輸的穩定性。
該無線抄表系統具有如下優點：
(1)電表抄錄數據及時、準確，系統的傳輸容量大。
(2)可對電表設備進行遠程控制、參數調整、開關等控制操作。
(3)安裝、維護方便，不需要進行專門布線。
(4)集中抄表范圍廣，GPRS網絡覆蓋范圍廣，ZigBee無線數傳技術使擴容無限制。