嵌入式无线抄表系统数据集中器的设计

张鹏军

摘要：现代生活中，水表、电表和煤气表的抄录和收费，是城市生活的一个大问题。人工入室抄表，扰民不说，还可能给居民带来不安全因素。近年来，信息化社会在逐步改变人们的生活方式与工作习惯的同时，也对一些传统的理念提出了挑战。随着自动化和测量技术的飞速发展，小区智能化的提高，人们在工作、生活、家居条件的智能化水平越来越高，将室内计量仪表中数据自动抄收己逐渐成为人们追求的目标。

关键词：无线抄表系统; ZigBee; 集中器

传统抄表方式需要一家一户的上门抄写用电数据，然后计算用电负荷及用电费用。人工操作虽然容易实现和管理，但是不可避免地也会遇到很多问题，如效率低下，工作人员数量需求大，工作量多，完成的任务却有限;错误率高，人工操作往往存在很多漏洞，使用户或电力公司遭受巨大的损失;难以监控，对偷电、漏电现象，很难采取有效的方法进行监控、取证;显然，上述弊端使得人工抄表管理模式不能适应电力体制的改革，也直接阻碍了诸如分时电价运营、预支电费等先进管理模式的推行。采用ZigBee技术可以很好地解决下段信道的供电效益问题，无线抄表技术能够更好地为广大用户提供服务。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有抄表终端分布较密集、距离较近的情况，基于Zig2Bee的无线组网能很好地解决自动抄表系统下段信道出现的问题。

1总体设计方案

抄表系统整体采用分布式体系结构，用电管理中心与集中器之间（上层）数據的采集采用星型结构;集中器与采集器之间（下层）数据的采集采用总线型结构。无线抄表系统总体结构如图1所示。

上层通信以电力局中心的系统主站为中心，通过GPRS网络与分散于各物业小区的集中器连接，形成1对n的连接形式，实现集中器和数据中心系统的实时在线连接;下层通信包括集中器对电表参数的采集、存储、转发，以及转发上位机下达的指令和对电表进行控制操作等。出于成本与通信可靠性的考虑，设计了采集器。每栋居民楼设置一个采集器，电表通过RS-485总线或者电力线载波与采集器进行通信，采集器通过天线与小区中心的集中器进行通信。

2集中器硬件设计

该系统的集中器采用无线方式传输数据，是整个系统的核心。集中器的主要功能有：

①执行协议转换功能，负责ZigBee通信协议与GPRS通信协议之间的转换;

②承担存储、转发和遇错重发（ARQ）功能;

③对用户提供透明连接;

④通信过程使用密匙校验;

无线数据集中器主要由无线数传模块（包括ZigBee模块和GPRS模块）、外部存储单元、本地通信接口、微处理器（MCU）、电源模块和时钟单元组成。

2.1控制芯片的选择

集中器控制芯片采用Microchip公司生产的增强型44引脚TQFP封装闪存8位单片机PIC18F4620芯片，其特点如下：

①具有4种晶振模式，3种类别功耗管理模式;

②频率最高为40MHz，21bit程序计数器，可以对2MB的程序存储器空间进行寻址，带有64KB的闪存;

③3个可编程外部中断;

④主同步串行口模块，支持3线SPI（4种模式）和I2C主/从模式;

⑤增强型可寻址USART模块，支持RS-485、RS-232和LIN1.2;

⑥最多两个捕捉/比较/PWM（CCP）模块，其中一个模块具有自动关闭功能;

⑦具有自动关闭、重启和波特率自动检测功能;

⑧最多13路通道的10bitA/D转换器模块;

⑨可编程16级高/低压检测模块;

⑩8×8单周期硬件乘法器，2.0～5.5V宽工作电压范围;

PIC18F4620片内FlashROM用于存储应用程序、通信协议;UART接口连接GPRS无线通信模块;SPI接口连接ZigBee无线通信模块;10bitA/D转换器实现电池电压检测、模拟量输入;其余的通用I/O端口分别实现集中器的各种控制和传输功能。

2.2ZigBee无线模块的设计

CC2420无线收发芯片是一个2.4GHz射频收发芯片 ，具有低功耗特性，接收器采用低～中频变频接收，发射器采用直接变频发射。CC2420的性能超过了IEEE802.15.4标准中要求的性能指标，可以确保长距离、有效、可靠的通信。ZigBee收发模块由CC2420芯片和2.4GHz射频天线以及相应的阻抗匹配电路组成。芯片外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和单片机接口电路3部分。电路采用16MHz无源晶振，其负载电容值约为27pF。射频输入/输出匹配电路用来匹配芯片的射频输入/输出阻抗，使其输入/输出阻抗为50Ω，同时为芯片内部的功率放大器和低噪声放大器提供直流偏置。CC2420芯片通过4线SPI口（SI、SO、SCLK、CSn）与PIC18F4620连接，实现芯片工作模式的设置，并实现读/写缓存数据和读/写状态寄存器。从天线接收到的射频信号首先经过低噪声放大器和正交下变频到2MHz的中频信号，该混合I/Q信号经过滤波、放大，再通过A/D转换器转变成数字信号。后经自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据。发射机部分采用直接上变频。

2.3GPRS模块设计

GPRS采用的MC35模块主要由射频天线、内部Flash、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源和一个40引脚的ZIF插座组成。GSM基带处理器是核心部件，其作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送的AT指令。射频天线部分主要实现信号的调制和解调，以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换。

3集中器软件设计

完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。Microchip的协议栈根据ZigBee规范的定义来给逻辑分层。

用户应用程序总是与应用编程支持层（APS）和应用层（APL）交互。每层的API都是简单的C语言宏，调用下一层的函数。该方法可以避免与模块化相关的典型开销。APL模块提供高级协议栈管理功能。用户应用程序使用APL模块来管理协议栈功能。zAPL.c文件实现了APL逻辑，而zAPL.h文件定义APL模块支持的API。用户应用程序将包含zAPL.h头文件来访问其API。

集中器与采集器之间的通信采用定长格式。数据帧由数据模式、目标地址、数据长度、数据信息与校验和5部分构成。

待发送的数据先被送入256Byte的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据IEEE802.15.4标准，所要发送的数据流的每4bit被32码片的扩频序列扩频后送到D/A转换器。然后，经过低通滤波和上变频的混频后被调制到2.4GHz，并经放大后送到天线发射出去。

3.2软件实现方案

集中器对电表的操作通常是每帧只针对一个电表，故集中器在收到主控计算机下发命令帧后，要将数据帧进行拆分，转换成与电表交互的命令格式。

集中器软件进程启动后，首先进行初始化工作。初始化成功后，启动GPRS模块进行工作。對于主控计算机下发的命令帧，由于数据量过大或故障造成延缓，集中器可能无法及时应答，造成主控计算机连接失败。为了解决这个问题，抄表前先接收主站命令，将集中器在运行中的数据记录到数据文件中，遇到通信异常时从数据文件中恢复现场数据，创建一个循环队列来存储主控计算机下发的命令帧和发送端口号，并按照对应的主控计算机的端口回传应答数据。集中器每次下达命令后可以立即接收到电表的回应。如果因意外不能收到回应，集中器将重发命令。如果4次重发均未收到回答或回答不正确，则按故障处理。集中器每隔10min对每个电表的运行状态进行一次检测，根据电表回传数据判断电表状态是否正常。若工作不正常，则进行相应处理，并上报主控计算机。

4结语

采用ZigBee无线组网技术，结合GPRS网络组建了一个无线传输信道，缩短了单段的传输距离，削弱了信道衰减与干扰的影响，提高了信道传输的稳定性。该无线抄表系统具有以下优点：①电表抄录数据及时、准确，系统的传输容量大。②可对电表设备进行远程控制、参数调整、开关等控制操作。③安装、维护方便，不需要进行专门布线。④集中抄表范围广，GPRS网络覆盖范围广，ZigBee技术使扩容无限制。实际应用中，根据抄表用户的不同分布，可灵活地构建抄表的无线网络。甚至可以将ZigBee无线模块集成到电能表、水表和燃气表中，从而完全实现居民区集中抄表、不用布线、快速组网，而且可以三表统一抄收。

参考文献

[1]MicrochipInc.PIC18F4620Datasheet[G].2004.

[2]IEEE802.15.4Standard[S/OL].http：//www.zig2bee.org.

[3]ZigBeeAlliance.ZigBeeSpecificationVersion1.0[G/OL].http：//www.zigbee.org