基于ZigBee 的无线电能表阶梯式数据采集系统研究

包添庆

（国网冀北电力有限公司玉田县供电分公司，河北 唐山 064100）

0 引 言

ZigBee 技术是一种短距离、低功耗、低数据传输速率的无线通信技术。在无线电能表数据采集中，ZigBee 技术以其低成本、高可靠性的特点得到了广泛应用。目前，国家电价政策要求电网公司采用阶梯式电价模式进行电能计价。阶梯式电价是指将户均用电量设置为若干个阶梯分段或分档次定价计算费用。阶梯式分时电价制度是将企业电网24 小时计价分为3 个时段，即高峰段、平段和谷段，各段采用不同的电价，高峰时段电价最高，平段、谷段依次递减；将居民用电分为3 个电量阶梯，分别采用不同的电价收费。其目的主要是引导企业和居民在用电时自我调节用电时段、用电负荷、用电量。这种计价方式，一方面可以降低电费、节约电能，另一方面可以平衡不同时段的电网负荷，降低发电企业生产压力，提高电网能源利用效率。例如，河南省平顶山市电网公司在夏季季节性用电月份（7、8 月）针对企业用电的3 个时段按高峰价格∶平段价格∶谷段价格=1.71 ∶1 ∶0.47 进行计费，单位为元/（kW·h）；对于居民用电，则根据年用电量划分为3 个阶段进行收费，即2 160 kW·h 以下按0.56 元/（kW·h）计费，2 160 ～3 120 kW·h 按0.61 元/（kW·h），3 120 kW·h 以上按0.86 元/（kW·h）计费。而文章设计的基于ZigBee 的无线电能表阶梯式数据采集系统，不仅可以根据用户用电行为计算不同时间段和阶梯段的电能消费，还可以提高电力系统的稳定性和可靠性。

1 基于ZigBee 的无线电能表阶梯式数据采集系统

基于ZigBee 的无线电能表阶梯式数据采集系统，利用ZigBee 通信协议实现对电能的远程传输与监测。传统的电能表需要定期前往现场进行抄表与收费，不仅浪费了人力资源，也存在着一定的风险。而文章提出的基于ZigBee 的无线电能表阶梯式数据采集系统，为实现远程抄表和自动计费提供了一种高效、便捷的解决方案[2]。

1.1 控制单元

可靠性是衡量基于ZigBee 的无线电能表阶梯式数据采集系统的一个重要内容，主要包括抄表准确率、数据传输稳定性、计费准确性等。该系统不仅具有阶梯式分时分段计费用电量计和数据存储功能，也具有无线抄表功能。在阶梯式分时计费电能表的硬件系统设计中，采用AD7755 电能计量芯片，通过ZigBee 通信方式传输电量数据。此外，将控制器MSP430F133 模块与该芯片进行有机结合，以简化单相电表设计，降低生产成本。

1.2 模拟操作系统设计

电流通道ESP 模块具备微处理器的特性，具有独立的差分输入通道。通过引入电能表操作系统，利用中断机制，支持与微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）进行交互式通信。为顺利实现阶梯式分时计费电能表的计费功能，需要借助电流通道ESP 模块模拟前端电流通道装置，并构建16 位AD 转换器和发生器装置。该系统可提供2 个差分输入电流通道和1 个差分输入电压通道，确保阶梯式分时计费电能表具备高精度和防窃电功能。2 个电流通道在ESP 16 位AD差分输入单元中有着对应关系，电压通道对应的是差分单元。这种设计是为了确保电能表测量和计费的准确性，可以对比2 个电流通道的电流大小。这种检测功能对于电能表的正常运行至关重要，因为能够及时发现并防止窃电行为的发生。此外，ZigBee 技术的应用有效提高了电力系统的安全性和可靠性。

1.3 测量与执行单元

为实现基于ZigBee 的无线电能表阶梯式数据采集系统的功能，采用AD7755 芯片来提供精确的参考时间。在硬件系统设计中，AD7755 作为电能测量集成电路，满足IEC 687/1036 标准的准确度要求。即使在500 ∶1 的动态范围内，误差也小于0.1%。在通电状态下，充电电路可以自动对可充电池进行充电处理。同时，基于ZigBee 的无线电能表阶梯式数据采集系统的主程序操作模块使用数字电路，执行单元选取32 s的循环周期。

1.4 无线通信模块

无线系统采用CC2530 芯片来完成数据传输和通信组网[3]。在ZigBee 阶梯式分时计费电能表中，将CC2530 模块作为串行口，与系统操作单元进行电能测量信息的传输。通信方式作为电能表的关键节点，在引入ZigBee 无线传感器装置的条件下，能够按时将16 户用电量信息发送至无线抄表系统。为满足超低功耗需求，该电能表在空闲状态下会切换至睡眠模式。这种设计使得阶梯式分时计费电能表在满足功能需求的同时具有高效、节能、环保的特点。在数据传输结构上，接入220 V 市电后，对通信局域网电能计量模块进行了测试，测试结果显示CC2530 模块具备较高的稳定性和可靠性，能够长期稳定运行，为电力系统的管理提供了有力支持。CC2530 模块组成如图1 所示。

图1 CC2530 模块组成

由图1 可知，CC2530 模块装置实现了用电计量的无线收发功能，其内部集成了8051 微控制器与无线收发器，可用于进一步的编程开发[3]。电能表的电源模块选用AMS117 稳压芯片，为CC2530 模块提供电压。

2 协议栈OSAL 机制

在基于ZigBee 的无线电能表阶梯式数据采集系统分时计费期间，AD7755 只在模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）和基准源中使用模拟电路，并对协议栈Z-Stack 进行移植处理[4]。协议栈中包含操作系统，虽然其属于协议技术规范范畴外的内容，但在协议栈中仍然可以发挥任务调度的目的，并作为协议栈核心内容存在。从这一角度上来说，基于ZigBee 的阶梯式分时计费电能表的测量性能是否成功，会直接受到操作系统抽象层（Operating System Abstraction Layer，OSAL）机制的影响。作为任务分配资源机制，其可以构成简单多任务的操作系统[5]。

2.1 提供操作系统支持

OSAL 机制为分时计费的基于ZigBee 的无线电能表提供了操作系统的支持。通过OSAL 机制，可以将电能表的硬件操作和软件开发进行分离，使开发人员可以更加专注于应用程序的开发，无须关心底层的硬件设计细节。OSAL 机制提供了一套通用的接口和功能，包括任务管理、内存管理、定时器及事件管理等，使开发人员可以以抽象的方式调用这些功能，无须直接与底层的硬件进行交互。

2.2 实现协议栈功能

协议栈是指在通信系统中，将各层的协议按照一定的规则组织起来，形成一个层次结构，并提供相应的接口和功能。OSAL 机制在分时计费的基于ZigBee的无线电能表中发挥着重要作用，通过提供各层协议的抽象接口，将不同层的协议封装起来，使不同层的协议能够协同工作，从而实现数据传输和处理。

2.3 实现多任务管理

分时计费的基于ZigBee 的无线电能表要支持多种通信协议，以便与其他设备进行数据交换和通信[6-7]。OSAL 机制可实现对多种任务的管理，如配置寄存器、控制寄存器、屏蔽寄存器、偏移寄存器以及增益寄存器的写入操作。此外，OSAL机制可以将设备模块资源、内存等纳入资源初始化范畴，为实现智能化的用电管理提供了基础支持。控制器工作流程如图2 所示。

图2 控制器工作流程

3 电能表ZigBee 阶梯式电能计量测试

在复位条件下，软件需要对ESP 模块对应的寄存器装置进行初始化处理，主要包括两部分内容。一是寄存器参数初始化处理，二是前端寄存器初始化处理。同时，采用多种方法和手段，对电能表阶梯式电能计量进行测试，以确保传输信号的稳定性。

系统测试以CC2530 模块作为平台，在试样中，无线网传输速率不低于375 kb/s。无线数据采集终端测试参数表1 所示。

表1 无线数据采集终端测试参数

完成无线数据采集终端测试后，将阶梯式电能计量装置从复位模式调至测量模式，测量电表参数。在规定的时间内，全功能设备（Full Function Device，FFD）节点上的电能被激活，阶梯式分时计费电能表主控制程序运行，能够对各部分电路单元进行指令控制，有序完成电能计量，并对电能参数计费数据进行集中存储与通信处理。整个阶梯式分时计费电能表的资源调配、管理均在主控程序的控制下完成，主控制程序的流程如图3 所示。

图3 主控制程序的流程

基于ZigBee 的电能表可靠性设计研究，需要从优化ZigBee 技术在电能表中的应用开始，以提高数据传输的稳定性和可靠性，减少由于信号弱、存在干扰或攻击等问题导致的数据丢失或传输错误。同时，需要研究如何提高电能表对抗干扰的能力，防止恶意攻击对ZigBee 通信造成破坏。针对电能表ZigBee通信协议，如远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）、窄带物联网（Narrowband Internet of Things，NB-IoT）等进行比较和优化，确保数据传输的完整性和可靠性。

4 结 论

文章采用CC2530 模块为开发平台，引入了基于ZigBee 的阶梯式分时计费电能表装置，以满足电能表各类控制装置和系统的要求。文章设计的基于ZigBee 的无线电能表阶梯式数据采集系统具有低功耗和无频段使用的优势，能够准确地进行阶梯式分时计费抄表和数据传输。在完成计费后，无线电能表数据经ZigBee 阶梯式传输，再由OSAL 机制发送到寄存器。研究结果表明，采用基于ZigBee 的无线电能表阶梯式数据采集系统，能准确获得电能表单元模块的可靠度，实现简单且准确度高。此外，该装置能够快速准确地将采集的数据上传至计算机，实时监测并收取用电费用。