ZigBee无线抄表系统集中器设计
0 引言
随着城市居民住宅建设日益发展，独立电能表数量迅速增多，抄表计量也日趋复杂。近年来用电形势越来越紧张，分时电价已势在必行。由于长距离室内外的布线存在着短路、断线隐患，错综复杂的线路使系统调试和维护困难重重，传统的远程集中抄表方式已不能满足电力公司日益增长的业务需求。采用ZigBee无线模块可以很好地解决下段信道的供电效益问题，ZigBee无线数传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IEEE 802．15．4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术。它支持3种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构和簇状结构。可由多到65000个无线数传模块组成无线数传网络，每个网络节点间的距离可以从标准的75 m到扩展后的几百米，甚至几千米。无线数据传输速率高达76．8 kb／s。
GPRS(通用无线分组业务)技术是在现有的GsM网络上增加的一种新型分组数据传输技术，具有永久在线、快速登录、高速传输、按量计费、自动切换、安全可靠等优点。现有的GPRS实际数据传输速率约为40 kb／s。
本文采用ZigBee无线模块实现底层采集器与集中器间的数据通信，通过GPRS网络实现集中器与抄表中心之问的数据传输。对于居民小区抄表终端分布较密集、距离较近的情况，基于ZigBee无线模块组网能很好地解决自动抄表系统下段信道出现的问题。
l 总体方案
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问(上层)数据的采集采用星型结构；集中器与采集器之间(下层)的ZigBee无线数据采集采用总线型结构。无线抄表系统总体结构如图l所示。
图l 无线抄表系统总体结构图
上层通信以电力局中心的系统主站为中心，通过中国移动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(图l中的ZigBee无线抄表终端)。每栋居民楼没置一个采集器，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
在整个系统中，集中器处于信息传递通路的中间位置。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ZigBee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。集中器硬件框图如图2所示。
图2 数据集中器硬件框图
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PICl8F4620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40 MHz，21 bit程序计数器，可以对2 MB的程序存储器空间进行寻址，带有64 KB的闪存。
(3)3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、白动重启和波特率自动检测功能。
(8)最多13路通道的10 bit A／D转换器模块。
(9)可编程16级高／低压检测模块。
(10)8×8单周期硬件乘法器。
(11)2．O-5．5 v宽工作电压范围。
PICl8F4620片内nash ROM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模块；10 bitA／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。
2．2 ZigBee无线模块的设计
Chipcon公司的无线收发芯片CC2420是一个2．4 GHz射频收发芯片，采用0．18um CMOS技术，具有低功耗特性，接收器采用低一中频变频接收，发射器采用直接变频发射。CC2420的性能超过了IEEE 802．15．4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数传模块由CC2420芯片和2．4 GHz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16 MHz无源晶振，其负载电容值约为27 pF。射频输入／输出匹配电路用来匹配芯片的射频输／V输出阻抗，使其输入／输出阻抗为50 n，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PICl8F4620连接，实现芯片工作模式的设置，并实现读／写缓存数据和揍／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2 MHz的中频信号，该混合VQ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。
2．3 GPRS模块设计
GPRS模块采用Siemens公司的GPRS无线通信模块MC35。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。匹配电源为处理器基射频部分提供所需的电源。
3 集中器软件设计
集中器的通信包括两部分:
(1)与主控计算机通过GPRS网络与集中器进行通信。
(2)集中器通过ZigBee无线数传网络与抄表终端进行通信。
其中ZigBee数传模块的设计是实现ZigBee组网的关键。
3．1 ZigBee协议栈
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，其架构如图3所示。
图3 MicrocKp协议栈架构
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五APL.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。数据帧格式如图4所示。
图4 数据帧格式
数据帧结构中的数据都是16进制数。待发送的数据先被送入256 Byte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IEEE 802．15．4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，经过低通滤和上变频的混频后调制到2．4 GHz，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，数集中器在受到主控计算机下发命令帧后，将数据帧进行拆分，转换成电与表交互的命令格式。集中器主程序的流程如图5所示。
图5 主程序流稷图
集中器软转述程启动后，首先进行初始化工作。初始化完成后，启动GPRS模块工作。
对于主控计算机下发的命令帧。由于数据量过太或故障造成延缓，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端口回传应答数据。集中器每次下这命令后可以立既接收到电表的回应。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lO ms对每个电表的运行状态连行一次ZigBee无线数据采集，根据电表回传数据判断电表获态是否正常。如工作不正常，则进行相应处理，并上报主控计算机。
4 结语
采用低成本的ZigBee无线模块组网技术，结合GPRS网络组建了一个无线传输信道，锁缩短了单段的传输距离，削弱了信遭衰减与干扰的影响，提高了信道传输的稳定性。
该无线抄表系统具有如下优点：
(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无线数传技术使扩容无限制。