分析無(wú)線抄電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 分析無(wú)線抄電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 引言 人工抄電表給工作人員帶來(lái)麻煩，隨著技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)人員就設(shè)計(jì)另一種更方便的電表，智能卡電表和有線自動(dòng)抄電表系統(tǒng)都存在一定的缺陷和成本高的問(wèn)題。隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無(wú)線聯(lián)網(wǎng)要求的ZigBee技術(shù)。系統(tǒng)的方案應(yīng)當(dāng)是前期投入的成本低，運(yùn)行成本非常低甚至沒(méi)有。由此本文提出一種基于 ZigBee技術(shù)抄電表方案。 1 ZigBee 技術(shù)特點(diǎn) 蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會(huì)通過(guò)一種特殊的肢體語(yǔ)言來(lái)告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置等信息，這種肢體語(yǔ)言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡(jiǎn)單傳達(dá)信息的方式。借此意義Zigbee

2、作為新一代無(wú)線通訊技術(shù)的命名。在此之前Zigbee也被稱(chēng)為“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”無(wú)線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱(chēng)為Zigbee。 簡(jiǎn)單的說(shuō)，Zigbee是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類(lèi)似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。Zigbee數(shù)傳模塊類(lèi)似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無(wú)限擴(kuò)展。 ZigBee是一種無(wú)線連接，可工作在2.4GHz（流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國(guó)流行）3個(gè)頻段上，分別具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作

3、為一種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點(diǎn)： （1） 低功耗： 由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其它無(wú)線設(shè)備望塵莫及的。 （2） 成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.52.5美元， 并且ZigBee協(xié)議是免費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。 （3） 時(shí)延短： 通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是15ms, 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms

4、。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制（如工業(yè)控制場(chǎng)合等）應(yīng)用。 （4） 網(wǎng)絡(luò)容量大： 一個(gè)星型構(gòu)造的Zigbee網(wǎng)絡(luò)多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備， 一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)， 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。 （5） 可靠： 采取了碰撞防止策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避開(kāi)了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方確實(shí)認(rèn)信息。如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以開(kāi)展重發(fā)。 （6） 安全： ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和， 采用了AES-128的加密算

5、法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 2 CC2430芯片的簡(jiǎn)介 2.1 CC2430芯片的主要特征： （1） 高性能和低功耗的 8051微控制器核。 （2） 集成符合 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無(wú)線電收發(fā)機(jī)。 （3） 優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。 （4） 在休眠模式時(shí)僅 0.9A的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng) ;在待機(jī)模式時(shí)少于0.6 A的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。 （5） 硬件支持 CSMA/CA功能。 （6） 較寬的電壓范圍（ 2.03.6 V）。 （7） 數(shù)字化的 RSSI/LQI支持和強(qiáng)大的DMA功能。 （8） 具

6、有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能。 （9） 集成了 14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC。 （10） 集成 AES安全協(xié)處理器。 （11） 帶有 2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及 1個(gè)符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和 2個(gè)8位計(jì)時(shí)器。 （12） 強(qiáng)大和靈活的開(kāi)發(fā)工具。 2.2 CC2430引腳介紹 圖 1為 CC2430的頂視圖。其中外露的芯片安裝襯墊必須連接到 PCB的接地層，芯片通過(guò)該處接地。CC2430具有CC2420RF接收器以及增強(qiáng)性能的 8051MCU、8KBRAM等，其增強(qiáng)的 8051MCU核的性能是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 8051核性能的 8倍。CC2430還具

7、備直接存儲(chǔ)器定址（DMA）功能（它能夠被用于減輕 8051微控制器內(nèi)核對(duì)數(shù)據(jù)搬移，因此提高了芯片整體的性能）、可編程看門(mén)狗定時(shí)器、 AES-128安全協(xié)處理器、多達(dá) 8輸入的 8-14位ADC、USART、睡眠模式定時(shí)、上電復(fù)位、掉電檢測(cè)電路（Brown Out Detection）、21個(gè)可編程I/O管腳等，兩個(gè)可編程的 USART用于主 /從 SPI或 UART操作。帶外部功放的 CC2430參考設(shè)計(jì)可提供+10dBm的輸出功率。全部引腳可分為 I/O 端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類(lèi)。 3 基于 ZigBee技術(shù)的無(wú)線抄電表系統(tǒng) 3.1設(shè)計(jì)的總體方案基于 ZigBee技術(shù)的無(wú)線抄電

8、表系統(tǒng)如圖 2所示。 各部分的主要功能如下： （1）數(shù)據(jù)庫(kù)和控制中心 : 具有建立、管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功能，對(duì)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展監(jiān)控；可設(shè)置定期和隨機(jī)向 DCT發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，承受數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)展管理。 （2） 工作站： 起數(shù)據(jù)上傳下送的中繼作用，負(fù)責(zé)啟動(dòng)、配置、協(xié)調(diào)整個(gè)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可將控制中心發(fā)出的命令發(fā)給DCT，具有存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的功能；每個(gè)工作站可以暫存下屬 DCT的數(shù)據(jù)；可以查看用電記錄、 DCT和電表狀態(tài)等數(shù)據(jù)。 （3） DCT：脈沖采集和無(wú)線傳輸部分，具有脈沖采集、存儲(chǔ)、承受指令和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，承受工作站發(fā)送的指令并按指令去完成的動(dòng)作。 3.2 系統(tǒng)功能介紹： 1. DCT

9、采集功能： （1） DCT電源部分：采用兩節(jié)五號(hào)電池，更換可以維持半年至兩年。 （2） DCT數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)器：這部分要有一定的空間存放數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)量較少時(shí)，可以利用芯片的Flash存放，如果數(shù)據(jù)量較大，可以留個(gè)備用接口，可對(duì)容量開(kāi)展擴(kuò)展。 （3） DCT計(jì)時(shí)系統(tǒng)： a.主要提供時(shí)鐘開(kāi)展等間隔取樣和啟動(dòng)預(yù)設(shè)任務(wù)和程序。 b.可以通過(guò)遙控指令開(kāi)展校正。 （4） DCT脈沖采集接口：與電能表相連的DCT應(yīng)設(shè)一個(gè)緩沖界面，通過(guò)這個(gè)界面，可以切換到不同型號(hào)電能表，使可對(duì)多種電能表開(kāi)展脈沖采集，轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)度數(shù)。 （5） 采集方式：可以定期采集，也可以在接到控制中心命令后開(kāi)展隨機(jī)采集，與電能表連接的 DCT可

10、以隨機(jī)采集脈沖。 （6） 外設(shè)接口：可以讓相關(guān)人員直接用手提電腦連接控制器，開(kāi)展檢測(cè)和排除故障等功能。 2. 無(wú)線發(fā)送、接收功能：工作站每隔一段時(shí)間后定期實(shí)現(xiàn)對(duì)其范圍內(nèi)的采集點(diǎn)開(kāi)展信息的傳遞和聚集。 （1）各個(gè) DCT可看作節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線Zigbee逐次節(jié)點(diǎn)來(lái)傳輸信息；每個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常，都可以通過(guò)外設(shè)接口開(kāi)展處理。 （2）發(fā)送：個(gè)節(jié)點(diǎn)指向第二個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)?shù)诙€(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)無(wú)效時(shí)，個(gè)節(jié)點(diǎn)指向第三個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此類(lèi)推；即對(duì)同伴 ID存放器的 ID呼叫，如果A沒(méi)有答復(fù)，呼叫 B；B也沒(méi)有答復(fù)，呼叫 C；如果沒(méi)有答復(fù)，要把狀態(tài)寫(xiě)到狀態(tài)存放器。 （3） 個(gè)節(jié)點(diǎn)呼叫第二個(gè)節(jié)點(diǎn)，發(fā)送呼叫信號(hào)判斷第二個(gè) DCT狀態(tài)是否

11、有效： a.有效：發(fā)送呼叫個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號(hào)。 b.無(wú)效：發(fā)送失敗應(yīng)答信號(hào)、并傳輸?shù)诙€(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和第三個(gè)節(jié)點(diǎn) ID給第三節(jié)點(diǎn)。 （4） 接收應(yīng)答信號(hào)： a.傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號(hào)：向第二節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。 b.失敗的應(yīng)答信號(hào)：當(dāng)超過(guò)預(yù)定時(shí)間沒(méi)有收到應(yīng)答，重發(fā)；重發(fā)超過(guò) 5次，就判定失敗，存儲(chǔ)第二個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，向第三節(jié)點(diǎn)發(fā)送呼叫信號(hào)。 （5） 接收數(shù)據(jù)： a.誤差檢測(cè)。 b.出錯(cuò)處理。 （6） 傳輸數(shù)據(jù)完畢，指示該 DCT清空。 3.節(jié)點(diǎn)功能： （1） 采集以及存儲(chǔ)：通過(guò)計(jì)時(shí)器以及脈沖輸入計(jì)數(shù)器記錄在單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)足夠的儲(chǔ)存空間儲(chǔ)存未上交的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送并得到確認(rèn)后，自動(dòng)清空儲(chǔ)存空間，繼續(xù)記時(shí)。

12、（2） 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送：為了不引起數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)沖突，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的固定的發(fā)送時(shí)間。 （3） 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的承受：節(jié)點(diǎn)擁有承受工作站命令以及中轉(zhuǎn)其他節(jié)點(diǎn)信息功能，設(shè)計(jì)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)以及轉(zhuǎn)發(fā)表，規(guī)定具體數(shù)據(jù)承受，轉(zhuǎn)發(fā)以及拋棄。遇到堵塞節(jié)點(diǎn)上交異常消息。 （4） 與工作站相連的收發(fā)節(jié)點(diǎn)能定時(shí)發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，觀察各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀況，并上交具體故障點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)與工作站以串口方式連接。 4. 網(wǎng)絡(luò)傳輸功能：控制中心能對(duì)內(nèi)部局域網(wǎng)的所有工作站聚集信息開(kāi)展 TCP/IP傳輸、存儲(chǔ)。 （1）各個(gè)工作站通過(guò)局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)至控制中心： a. 建立 NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）； b. 建立主機(jī)（控制中心）、客戶(hù)端（工作站）應(yīng)用

13、程序。 （2）控制中心建立數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)所有工作站的信息。 5. 控制中心數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)功能： （1） 查詢(xún)管理：按 ID查詢(xún)、出錯(cuò)狀態(tài)查詢(xún)，對(duì)數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)能開(kāi)展動(dòng)態(tài)預(yù)覽。 （2） 統(tǒng)計(jì)功能：按照具體的條件開(kāi)展統(tǒng)計(jì)，對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果能開(kāi)展動(dòng)態(tài)預(yù)覽。 （3） 控制中心通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)可查詢(xún)所有數(shù)據(jù)源的ID、狀態(tài)和數(shù)值。 （4） 員工管理：?jiǎn)T工信息添加、修改、刪除、權(quán)限設(shè)置等。 （5） 權(quán)限管理： a.權(quán)限：對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)有全權(quán)控制，該權(quán)限無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入，須在控制中心才能行使該職能。 b.一般權(quán)限：需驗(yàn)證登錄，用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器進(jìn)入控制中心瀏覽數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)記錄，但不能修改。 6. 數(shù)據(jù)源狀態(tài)監(jiān)測(cè)：通過(guò) 4字節(jié)（32位）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)的定義。 4.結(jié)束語(yǔ) 本文介紹了一種基于 ZigBee技術(shù)的無(wú)線抄電表系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的ZigBee技術(shù)具有協(xié)議簡(jiǎn)單，成本低，傳輸可靠，數(shù)據(jù)安全性高，雙向無(wú)線通信技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)CC2430可能由于功率的限制，傳輸距離還有待提高。個(gè)人水平經(jīng)驗(yàn)所限，還有許多可以進(jìn)一步完善地方，特別是網(wǎng)絡(luò)接口部分。 1、準(zhǔn)確度等級(jí)：1.0級(jí)，基本誤差、起動(dòng)、潛動(dòng)符合