基于ZigBee技术的远程电力抄表数据采集器设计

文/王欣

数据采集器是构成远程电力抄表系统的主要单元，能够实现对用户具体用电信息的实时采集、反馈、处理及传输，确保了用电信息的真实性及可靠性。加大对远程电力抄表数据采集器的研究力度，实现ZigBee技术的有效应用，可以有效提升通信质量，对促进远程电力抄表系统的良好发展意义重大。

1 ZigBee技术概念及特点

在设计并实现基于ZigBee技术的远程电力抄表数据采集器时，需要先了解ZigBee技术及其特点。ZigBee技术是一种近距离双向无线通讯技术，具有频段灵活、低功耗、低成本、容量大、安全可靠等特点，在范围较小、传输速率要求不高、功耗较低数据传输中有着良好的应用效果。首先，ZigBee技术所用通信协议为IEEE802.15.4，可以满足2.4GHz、868MHz、915MHz三个频段通信需求，具有较强的灵活性和适用性。其次，利用ZigBee技术进行通讯时，数据的发射功率低至1mW，同时采用数间接传输方式，实现未工作数据传输节点的休眠。另外，ZigBee协议属于免专利费，其最初技术成本大约为6美元，且还在不断降低。并且，ZigBee网络有着较大的容量，在一个主设备上可同时接入254个从设备，同一区域内最高可搭建100多个ZigBee网络。最后，在ZigBee技术中，数据需要经过确认后才可进行传输，专用时隙的设置避免了数据冲突和竞争问题，同时还采用循环冗余技术及加密算法，确保数据完整性和保密性。这些都是ZigBee技术的优势所在。

图1：远程电力抄表系统组成

2 基于ZigBee技术的远程电力抄表系统总体设计

数据采集器作为远程电力抄表系统中的主要组成单元之一，在设计时需遵循整体设计原则。远程电力抄表系统主要分为三大部分，分别包括数采集传输端、协调器和无线传感网络、监测中心，其结构组成如图1所示。首先，采集器和集中器是组成数据采集传输断的主要设备，分别负责数据的采集和数据的存储，通常情况下，会用到多个采集器，彼此之间采用网状结构联结，集中器在采集节点和数据库之间起到连接作用。而数据传输则是依托ZigBee技术实现的，用户用电信息的采集和转发都是在该部分完成，然后将所得数据传递至协调器，便于下一步工作的顺利开展。其次，在远程电力抄表系统的中间层，协调器起到了关键作用，ZigBee网络的组建，以及用户用电信息从采集器上传至监测中心，都是由协调器负责的。并且，要想实现数据的远程传输，则必须借助无线传感网络。最后，对于系统监测中心来讲，主要组成包括检测设备和数据库服务器两部分，其具体功能为接收来自协调器的用户用电信息，并根据数据分析处理结果，向协调器发出反馈信息，对集中器及采集终端进行各种操作。

3 基于ZigBee技术的远程电力抄表数据采集器设计

硬件和软件是组成远程电力抄表数据采集器两大主要部分。

3.1 远程电力抄表数据采集器硬件设计

数据采集器硬件设计分为三步完成。

（1）先确定组成远程电力抄表数据采集器的硬件具体结构框架。此次研究中，在数据处理单元所用单片机为ATmega 1302，在数据传输单元所用无线射频收发芯片为AT86RF310，与ZigBee通讯协议有着良好的兼容性，在数据采集单元连接并监测各个智能电表表时，是借助现场总线技术实现的，而电能表具体耗能情况及采集时间，则是通过液晶显示器和时钟芯片显示出来的。该远程电力抄表系统中，连接数据采集器终端下行通道与电能表时，需要依托现场总线技术实现，具体为支持多点数据通信的RS485总线，主要作用为采集电能表详细数据，并控制数据采集器的电能输送和断开。ZigBee技术和无线传感网络技术，是实现上行通信的关键所在，其主要功能是通过数据交互，将采集所得电能表数据传输至远程控制中心。

（2）设计数据采集器控制器与无线射频收发芯片电路。该系统中所用无线射频收发芯片为AT86RF310，其频段为全球流行频段2.4GHz。单片机单片机ATmega 1302与无线射频收发芯片AT86RF310之间的通信，需要在4条控制线作用下进行。无线收发芯片上设置有多个电容，其功能各不相同，每一种功能的电容都是成对存在的，电容功能具体包括：解决直流偏置现象、解决供电电源耦合现象、调节电压、与晶振XTAL组成晶振电路，在多个电容的调控作用下，可以确保无线收发芯片的工作性能的良好性，即便出现低压现象也可以稳定运行。在微控制器部分，寄存器的控制以及与无线射频收发芯片之间的数据交换，都是借助SPI接口编程实现的。

（3）设计采集单元总线接口电路。在隔离系统总线和微控制器时，所用方法为光耦隔离，需将其设置在异步通信接口和RS—485接口芯片之间。通过在单片机ATmegal281上相应位置增设光耦隔离器，能够有效隔离数据采集器的接受信号、输入信号和控制信号。在输出线路上，为减弱信号反射作用对其通讯质量的影响，在传输线路上设置有大小适中的电阻，总阻值为40欧，采用串联方式将两个大小为20欧的电阻，连接到RS—485接口芯片的信号输出端，可以在系统出现故障问题时，避免对其他分机通讯信号造成影响。同时，在该线路的输出端位置，还安装有两个电阻分别作为上拉电阻和下拉电阻，确保输出端一侧电位始终高于另一侧电位，此时，当总线处于悬浮状态时，接收数据的引脚电平将会出现唯一的最大值，即便是总线上所有发生器处于被禁止状态，也不会将其错误的认为是通信帧的起始造成异常现象，避免了误判问题。按照以上思路设计采集单元总线接口电路，即可利用微控制器通过RS 485总线，实现采集、存储、处理并控制其所属范围内的所有电能表数据。

3.2 远程电力抄表数据采集器软件设计

基于ZigBee技术的远程电力抄表数据采集器软件设计，分为数据采集单元传输协议和ZigBee网络节点软件两部分内容。

（1）对于数据采集单元传输协议来讲，此次研究中，系统中各个电能表所用通信协议为DLT645-2007《多功能电能表通信协议》，在整个网络中，是根据采集终端所发出的信号帧，实现对通信链路建立与解除的有效控制。按照DLT645-2007通信规约内容，可以具体通信字节格式为：每字节含8位二进制码，传输时加上一个起始位（0）、一个偶校验位和一个停止位（1），共11位，其中8为二进制码分别为 D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D6、D7，其中D0和D7分别为最低和最高有效位，按照从低到高的顺序依次传递。通信帧格式为：帧起始符68H，地址域A0—A5，帧起始符68H、控制码C、数据域长度L、数据域DATA、校验码CS、结束符16H，帧起始符标识一帧信息的开始，大小为01101000B。地址域由6个两位BCD码字节组成，最长可以达到十二位进制数，当地址长度小于6个字节时，用“0”在高位处对其进行补充。如果所接收到的帧数据与地址域相对应，则此时数据采集器便会对命令做出相应，实现对总线的有效控制，响应反馈后再由主控制器对数据采集器的运行加以控制。控制码C则根据相应的命令执行具体操作。数据域长度L表示其字节数多少，数据读取和记录时，字节数最大不能分别不能超过200和50，如果没有数据域存在，则其长度为0。数据域DATA由数据标识、密码、操作者代码、数据、帧序号等组成，控制码功能不同时，数据域组成顺序也不一样，在数据传输和接收过程中，分别进行加33H处理和减33H处理。校验码CS表示各字节二进制算术和，大于256的溢出值不包含在内。结束符16H标识一帧信息的结束，其大小为00010110B。总线网络主机组成包括多个电能表和数据采集终端节点两部分，在发送和接收数据时，需要严格按照DLT645-2007《多功能电能表通信协议》所规定的流程进行，并以此作为依据完成对应程序的编写，总线网络主机与从机在通信时，即可按照该程序实现，同时还可以通过数据采集终端采集所控制范围内电能表的详细数据。

（2）对于ZigBee网络节点软件设计，也需要进行深入研究和全面考虑。在整个无线传感网络中，数据采集终端是作为节点存在的，底层数据的采集，以及将所得数据传输至集中器进行存储，都是由数据采集终端完成的。在传输单元所用通信协议为IEEE 802．15．4协议，与ZigBee技术具有较高的适配性，该协议中对数据传输协议作出了一套新的规定，详细描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。此次研究中，在设计远程电力抄表数据采集器网络节点软件时，AT86RF310无线传输模块所用通信标准便是此通信协议，数据传输过程中，是按照其物理层和MAC层的帧格式进行的。物理层数据包包括同步包头、物理层包头、物理层载荷三部分，其中同步包头又分为4B前同步码和1B帧界定符；物理层包头包括帧长度7b和保留位1b；物理层载荷为长度变化的净荷。MAC层包括帧首部、帧载荷（可变）和帧尾（2BFCS）三部分，首部又包括2B帧控制域、1B序列号、地址域，其中地址域可细分为0/2/8B目的地址、0/2B源PAN标示符、0/2/8源地址。该系统中，以ZigBee协议栈的具体要求作为依据，设计对对应程序实现帧发送和接收，按照规定，所发送到数据需包括帧序列号、目的地址、源地址、网络PAN标识符和数据指针信息等内容，然后才能依照设计好的程序，进行数据发送和接收操作。

4 结束语

将ZigBee技术应用于远程电力抄表系统中，完成数据采集器的设计，可以显著改善原有系统运行的缺陷所在，显著提升了系统通信质量，同时还可以降低系统能耗及成本，为电力企业带来更加可观的经济效益。基于ZigBee技术所体现出的中多技术优势，便需要从硬件设计和软件设计两方面进行综合考虑，实现该技术在远程电力抄表采集器中的有效应用，以提高抄表水平和质量。

参考文献

[1]刘颖,王再英,彭倩等.基于ZigBee和GPRS的远程无线抄表系统设计与实现[J].科学技术与工程,2012(30):8058-8062.

[2]王宁宁.基于ZigBee的远程无线抄表系统研究与设计[J].智能计算机与应用,2015(02):95-97.

[3]公茂法,殷凡姣,李玉午等.基于ZigBee和GPRS的远程无线抄表系统设计[J].电子质量,2014(08):19-22.

[4]万国,赵珂,熊艳.基于ZigBee的远程电力抄表数据采集器设计[J].现代电子技术,2012(03):65-67.

[5]刘颖.基于ZigBee和GPRS的远程无线抄表系统设计[D].西安科技大学,2013:27-36.

[6]王永杰,王晓薇.基于ZigBee与GPRS的远程无线抄表系统结构的研究设计[J].产业与科技论坛,2014(15):78-79.