基于ARM9和CC2530的远程无线抄表系统设计

黄 璟

(苏州工业职业技术学院电子与通信工程系，江苏苏州 215104)

基于ARM9和CC2530的远程无线抄表系统设计

黄 璟

(苏州工业职业技术学院电子与通信工程系，江苏苏州 215104)

针对有线抄表方式空间局限性大、抗干扰能力差等问题，提出了一种基于ARM和ZigBee协议的远程无线抄表系统。该系统由数据采集、数据传输和集抄中心3部分组成。以低功耗片上系统CC2530为核心，采集器配以相应电能计量芯片STPM01进行数据采集，集中器设置了基于μCLinux操作系统的ARM9嵌入式网关，配备打印机接口、触摸屏接口等，用以实现快速现场查询、处理、存储、测试、打印等功能，并为将来复杂无线传感器数据的接入作准备。该无线电能抄表系统具有实用性强、可靠性高、低功耗和可扩展等特点，配置功率放大电路后，有障碍传输距离400 m左右。

CC2530; ZigBee协议; 无线抄表; ARM; μCLinux

0引言

随着传感技术、网络技术、智能控制技术的发展，智能电网向着可观测、可控制、可自愈、可优化的方向发展。其实时、高速的双向数据通信基于多种有线或无线的自动抄表系统(Automatic Meter Reading，AMR)。有线自动抄表系统有RS485通讯和电力线载波通讯两种。其中RS485通讯方式需要另外铺设线路，在有空间局限性的场合很难实施;电力线载波通讯方式利用现有低压电力线进行通讯，成本低，缺点是易受杂波干扰，其稳定性和可靠性有待提升。无线自动抄表系统有基于GSM(Global System for Mobile communication，全球移动通信系统)、GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术)和红外线、蓝牙、ZigBee技术的无线通讯方式。其中GSM和GPRS方式具有使用频段需付费的缺点，频段拥挤实时性差［1］。红外线传输距离短，而ZigBee技术与蓝牙技术相比，在网络结构的复杂程度、节点数量、能量的持续时间、无线传输距离和扩展能力上都有十分明显的优势［2-4］。

建立在IEEE 802.15.4无线通信标准上的ZigBee技术，使用国际通用免费频段，具有Mesh Network网络层提供的自组织、自路由、自冗余、自恢复功能。随着德州仪器公司继CC2430后推出新的ZigBee无线网络通信芯片CC2530，使得无线抄表系统得到更广泛的关注。文献［5］提出了采用ARM9嵌入式微处理器芯片S3C2440和ZigBee通信芯片CC2430相结合，但未说明自带8051微控制器内核的CC2430芯片为什么要结合ARM(Advanced RISC Machine，高级精简指令集机器)。文献［6］提出了在电能表的计数表头安装摄像头模块，拍照后通过无限网络传输到集中器，再由基于ARM9的集中器将图像识别后的信息通过GPRS传送至数据采集终端。该设计对图片传输的质量要求较高，成本较高。文献［7］提出了基于ZigBee和GPRS的远程无线抄表系统，但设计未充分利用CC2430的MCU(MicroController Unit，多点控制单元)功能和无线通信功能，而是另外采用单片机和CC1100无线通信模块。

本文设计了一种基于嵌入式技术、触摸屏技术和无线通信技术［8］的远距离无线抄表系统，采用低成本、低功耗的ZigBee芯片CC2530，完成主动抄表和被动抄表［9］。其中集中器采用基于μCLinux系统的ARM9微处理器为主控模块［10-11］，配以电阻式触摸屏以完成现场迅速查询、处理、测试、打印等功能。由于基于μCLinux的ARM9网关人机交互性好，功能提升空间大，将来可以建立在复杂智能传感器网络基础上，通过ARM微处理器对传感器采集到的各类数据信号进行处理，完成任何时间、任何场合、为任何人和事提供互联通信服务，实现智能化小区等的建设。

1 系统工作原理

远程无线智能抄表系统包括数据采集器、数据集中器、集抄中心，通过无线传感网络、互联网等组成。采集器将接收到的数据处理后，通过ZigBee无线传感器网络发送至数据集中器，集中器将收到的数据分析归类整理入库后，通过GPRS通信方式传至集抄中心。集抄中心除收集存储数据，对数据库进行管理外，还负责管理整个网络，实时监控，并通过GPRS由外网向ZigBee网络发送管理命令和数据采集命令，使集中器和采集器执行相应操作。无线抄表系统总体结构如图1所示。数据采集节点和集中器之间的通信为下行通信，集中器和集抄中心之间通信为上行通信。此外，为增加ZigBee通信范围，在数据采集器和集中器之间可加入路由节点。

集抄中心按照一定抄表周期，自动抄收集中器中所有用户电能表累计电量及其他信息，且具有实时抄读和按地址选抄的功能。集抄中心除对收集到的数据进行校验、计算、分析、显示、存储、管理外，还可实时监控，发现异常及时告警，保障电网安全。集抄中心数据库服务器通过互联网和客户机、服务器通信。

图1 无线抄表系统总体结构

2 系统硬件设计

2.1 数据采集与传输模块设计

数据采集器的主要功能是记录与之相连接的各智能电表的地址和通讯状态，采集和存储电表的日冻结、月冻结和总电能等数据，并将数据上报给数据集中器。数据采集和传输模块由电能计量芯片完成电能采集，由ZigBee芯片完成数据传输，电表采集到的数据通过RS-485总线与数据采集节点进行通信。

电能计量芯片采用意法半导体公司的STPM01芯片，内部集成了相应算法，包含两个电流通道和一个电压通道，可以测量有功功率、无功功率、视在功率、电网频率等。内置A/D转换器、前置放大器、带隙电压基准、DSP单元和SPI接口。

ZigBee无线传输模块采用德州仪器公司的CC2530芯片。CC2530与STPM01之间采用SPI通信方式，执行轮询算法，根据STPM01特定的SPI时序来和CC2530通信。为克服障碍物和增加传输距离，采用CC2530芯片外加功放模块CC2591来增加无线传输距离。数据采集节点结构框图如图2所示。

2.2 集中器网关硬件设计

数据集中器网关是整个无线抄表系统的核心，具有建立、协调、配置整个无线网络的功能。一台集中器通常能采集几十到上千只数据采集器的数据，并将大量数据存储、整理、分类以供查询。本设计中的集中器触摸屏，具有良好的人机交互界面。通过人机交互，可以快捷地查询集中器中相应数据，查询各采集器各时段的数据并进行处理，触摸屏界面设有电能管理、数据分析、数据管理、路由检查、打印等功能，方便实施现场管理和控制。电能抄表系统集中器功能如图3(a)所示，用以高效可靠地完成无线传感数据的接收和处理。同时预留功能扩展，为今后其他各类传感数据的接入，完成集中器网关的本地属性、无线和网络配置，以及应用程序的启动等多任务并行操作，实现真正意义的智能化小区。智能小区集中器功能如图3(b)所示。

集中器配置ZigBee协调器节点，作为无线传感网络的汇聚节点，是无线网络的发起者和组织者，向下通过ZigBee网络与数据采集器进行通信，向上借助公用通信网络的支撑，与数据采集终端集抄中心通信，实现网关转换功能。其硬件部分主要由微控制器、无线收发模块、GPRS通信模块、存储模块以及电源模块组成。

ZigBee收发模块采用CC2530经典电路。为使集中器具有现场迅速数据查询、数据处理、存储、测试、实时打印用户资料等功能，该模块控制中心采用32位嵌入式ARM9芯片S3C2440A，外扩64 MB的SDRAM，配备ZigBee接口、SD卡接口、USB接口、RS232接口、打印机接口、触摸屏接口、调试口、电源监控等。集中器节点和S3C2440A之间采用串口通信，S3C2440A的串行数据接收端RXD1与CC2530的串行数据发送端P0_3相连，S3C2440A的串行数据发送端TXD1与CC2530的串行数据接收端P0_2相连，实现数据的收发。系统通过RS232接口连接GPRS模块，通过GPRS广域网实现远程集中监控管理。

图2 采集节点结构框图

图3 集中器功能图

S3C2440A采用低电压技术，低功耗，运算速度快，工作频率可达405 MHz。内部集成ARM920T核技术，16/32位RISC体系结构。具有 16 KB指令 Cache、16 KB数据Cache。集成LCD专用DMA的LCD控制器，8路10位ADC和触摸屏接口，4路DMA控制器，3路 UART，2路 SPI，可实现串行数据双工传输。主控模块原理框图如图4所示。LCD显示屏采用四线电阻式触摸屏。GPRS模块采用深圳有方公司的M590，该芯片是一款纯数据单芯片工业无线模块，在国内电力市场应用广泛，尤其应用在集中器、采集器、网络表和手持机等电力设备上。

图4 数据集中器硬件结构图

S3C2440A设备采用针对微控制领域的嵌入式μCLinux操作系统，最大特点是没有MMU(Memory Management Unit，内存管理单元)模块，适合嵌入式系统小型化应用。集中器网关的软件体系结构分为μCLinux内核、硬件驱动层、应用程序三个层次。μCLinux内核提供文件系统管理、系统初始化、中断处理、网络协议栈等。硬件驱动层包括串口驱动、LCD驱动、打印机驱动等。应用程序用以实现网关的串口协议和网络协议的转换。移植了μCLinux操作系统后，编写相应串口应用程序和网络应用程序就可以实现集中器网关的设计要求了。

3 无线通信软件设计

3.1 无线通信模型

基于ZigBee的远程无线抄表系统，其软件要完成的核心功能是ZigBee网络内通信，以及ZigBee网络与GPRS远程通信网之间的数据交换。为实现数据采集和数据通信，采用TI的Z-Stack协议栈软件，实现操作系统抽象层(Operating System Abstraction Layer，OSAL)任务的调度。Z-Stack协议栈软件是一种轮询小型操作系统，基于OSAL运行，具有业内最高水平，用户在其基础上进行开发可大大缩短应用开发周期。系统按照任务优先级别按序处理事件，事件处理完成后即进入休眠状态，降低系统功耗。按照由高到低的优先级别，Z-Stack协议栈定义好了MAC层、网络层、硬件驱动抽象层、应用设备对象层的任务，用户只需添加应用层任务初始化函数即可。ZigBee无线通信系统软件通信模型如图5所示［12］，虚线为信号流程。

图5 ZigBee无线通信系统软件通信模型

3.2 无线通信软件设计

本无线抄表系统通过双向无线数据传输实现智能电网的主动抄表和被动抄表。主动抄表由采集器定时采集电表数据，通过无线网络上传至集中器，经集中器的网关功能，将接收到的数据通过GPRS网络传至集抄中心。被动抄表由集抄中心对电表实现远程控制与管理，集中器接到集抄中心命令后，通过无线网络传送至智能电表，完成数据的下放以便电表自动执行报警、关闸等操作。无线抄表系统通信模块工作流程如图6所示。

系统工作时初始化各模块，包括ARM、CC2530、SPI等的初始化。发射程序将数据包通过ARM的SPI口送至发射模块发射，接收程序按序接收并处理数据流。主动抄表时集中器把抄表命令帧广播至各个电表，电表内采集节点从命令帧中提取电表地址，通过存储器映射出ZigBee节点的网络地址，接收报文，当地址匹配时，采集节点发出回应参数，将电能数据报文发送给集中器，集中器按规约解析成完整的数据包，由串口经GPRS送至集抄中心。

4 系统测试结果及分析

4.1 测试方案

无线电能抄表系统的测试，主要包括功能测试和性能测试。功能测试有采集节点和集中器节点的通信测试、系统组网测试、系统整体功能测试等。判断无线传感网络是否有效形成，数据双向传输是否畅通等。性能测试包括采集节点性能测试、集中器网关性能测试、数据收发的误码率测试等。

测试方案为1个集中器(带有ARM9和CC2530的触摸屏模块)、10个智能电表(带有CC2530模块)，5个路由节点共同组成无线网络。10个电表分别安装在两栋公寓楼的两个单元内，集中器手持并移动，完成系统功能测试和系统测试。

4.2 测试结果及分析

4.2.1 数据查询测试结果及分析

启动数据查询功能，数据查询分为按时刻查询和按采集器编号查询。前者列出同一时刻某个建筑单元所有采集器采集到的数据，后者列出同一采集节点不同时刻的采集数据。表1为按时刻查询结果。详细记录了公寓单元的电能采集数据，包括电压有效值、有功功率(P)、无功功率(Q)、输入有功电度(EPI)、功率因数(PF)等。另外，还有集中器的电能管理功能和打印功能测试等。测试结果说明带有触摸屏的集中器性能良好，为其可以适用于普通小区提出了依据。

表1 集中器数据查询表

4.2.2 传输距离测试

手持集中器渐行渐远，观察集中器和采集器相距多少距离时，容易受到行人车辆的干扰。实验结果表明加入前置放大后，穿透二层普通公寓建筑墙面，一般情况下两者有效传输距离400 m左右。测试结果说明该无线抄表系统能适应一般城市小区的实际工作环境。

4.2.3 丢包率测试

本无线传感网络链路质量测试，包括网络传输延迟，指采集器节点到集中器节点之间传输数据所花费的时间;数据传输的可靠性，诸如接收信道的误码率和丢包率水平等。本抄表系统无论主动抄表还是被动抄表都不是全天候的，故可利用现有无线传感网络在空闲时间测试链路质量，无需另外铺设节点和测试设备。采用比较成熟的Crossbow公司的MoteWorks无线传感器网络测试平台，对传输速率、丢包率等测试参数一并测量。通过MoteWorks平台，能够远程监视抄表网络的运行情况，并将测试结果以文本或图形方式呈现。测试方法是通过测试网络的控制，使被测数据采集节点的微控制器运行相应的软件测试代码，生成1 000组测试数据，经无线链路传输至集中器，集中器作为测试服务器检测收集到的数据的数量和正确性，由测试软件自动计算丢包率和误码率。

干扰测试，通过测试软件，使测试节点附近的另一个ZigBee采集节点在同一个频道发起干扰源，检测集中器节点的数据接收情况，依靠MoteWorks平台中的空中抓包模块，测试干扰情况下的丢包率。测试结果为加入干扰网络后丢包率由1%上升到2%，在允许范围内。加入干扰后自组网时间增加，原因是系统需要判断的时间。一旦判断完成连接到正确的网络，干扰网络将不再影响系统运行。

图6 无线通信模块工作流程图

5 结束语

由智能电表、数据采集器、集中器、集抄中心、无线传感网络、GPRS网络组成的先进量测信息架构，实现了远程抄表系统的自动化、无线化、网络化和智能化。基于ARM9和CC2530的无线电能抄表系统，综合ZigBee的造价低廉、网络使用零资费和GPRS网络稳定高效的特点，单点故障不会导致整个网络瘫痪，具有自组网、故障自愈、容量大、低功耗、安装维护方便等特点。通过网络协议自动形成转发数据的多跳无线网络系统。本系统结合ARM系统，增强了无线网络的现场管理和控制功能，不仅有良好的人机交互性能、实时性强、稳定性高等优点，且若增加相应智能传感器节点，即可完成水、气、暖用户抄表、智能家居等扩展功能，具有广泛应用前景。

［1］杨瑞霞.基于GPRS电力无线抄表系统的设计与实现［J］.电测与仪表，2007，4(12):30-32.

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［责任编辑:谢 平］

The design of remote wireless meter reading system based on ARM9 and CC2530

HUANG Jing
(Department of Electronics and Communication Engineering，Suzhou Institute of Industrial Technology，Suzhou 215104，China)

For wired meter reading system has space limitations and poor anti-interference ability，a remote meter reading system based on ARM and ZigBee protocol is proposed.This system consists of three parts:data acquisition，data transmission and control center.Take the low power system-on-chip CC2530 as the core，the design goes together with the corresponding energy metering IC STPM01 for data collection.Concentrator is set up the embedded gateway based on ARM9 and μCLinux operating system.Equipped with printer interface，touch screen interface，etc.，the system is able to achieve rapid on-site inquiry，process，storage，testing，printing and other functions，and make the future preparation of the data access of ubiquitous wireless sensor.The wireless meter reading system has strong practicability，high reliability，low power consumption and extensibility etc，after configuring the power amplification circuit，the transmission distance of about 400 m.

CC2530; ZigBee protocol; wireless meter reading; ARM; μCLinux

TM933.47

A

1673-2944(2014)05-0015-06

2014-04-02

黄璟(1971—)，女，江苏省苏州市人，苏州工业职业技术学院副教授，硕士，主要研究方向为电路与系统、智能仪器仪表等。