李永尚
　　（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

       摘要：針對(duì)目前抄表系統(tǒng)中存在的成本高、功耗大、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小、抗干擾能力差等問(wèn)題，提出了一種基于ZigBee協(xié)議的微功率無(wú)線抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103微控制器和CC1100E無(wú)線射頻芯片為核心，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的終端電表節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊、集中器節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊的硬件和軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明該無(wú)線抄表系統(tǒng)具有功耗低、成本低、可靠性高、靈活性強(qiáng)和可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議；無(wú)線抄表系統(tǒng)；STM32F103；CC1100E　　

0引言
　　目前，我國(guó)仍有部分地區(qū)采用人工抄表的方式，存在效率低、成本高、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性低等缺點(diǎn)，且易發(fā)生錯(cuò)抄、漏抄等現(xiàn)象。有線自動(dòng)抄表方式主要有兩種：RS485總線方式和電力線載波方式。RS485總線方式需要大量布線，存在空間局限性及成本高的缺點(diǎn)［13］；電力線載波抄表方式去掉額外的數(shù)據(jù)線路，直接以低壓輸電線路為傳輸介質(zhì),因此具有安裝方便、成本低等優(yōu)勢(shì)，但是，電磁干擾和輸電線路負(fù)載變化都會(huì)導(dǎo)致其抗干擾能力弱，穩(wěn)定性及可靠性較低［25］。隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線抄表方式已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用，可有效降低成本，實(shí)時(shí)、可靠且高效地抄讀電表信息。與紅外、藍(lán)牙、WiFi等無(wú)線技術(shù)相比,ZigBee技術(shù)具有功耗低、距離長(zhǎng)、成本低、容量大及組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合數(shù)據(jù)通信量小、傳輸率低的無(wú)線抄表領(lǐng)域［47］。
　　本文實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)線抄表系統(tǒng)，選用高性能、低功耗的控制器和收發(fā)器，結(jié)合ZigBee協(xié)議棧對(duì)無(wú)線模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可準(zhǔn)確抄讀電表信息，通信距離達(dá)400 m左右，滿足一般小區(qū)抄表需求。
1總體設(shè)計(jì)及工作原理
　　本系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)來(lái)搭建，主要由智能電表、集中器和國(guó)家電網(wǎng)3部分組成。其中智能電表和集中器組成抄表終端系統(tǒng)，集中器和電表都安裝了ZigBee微功率無(wú)線通信模塊，所有模塊組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)。集中器端無(wú)線模塊作為中樞節(jié)點(diǎn)即ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)采用指定路由方式對(duì)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的智能電表用電信息進(jìn)行采集，并且對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)，另外集中器端還安裝有GPRS模塊，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與國(guó)家電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。
　

2硬件設(shè)計(jì)
　　集中器與智能電表都預(yù)留有USART串口以便安裝ZigBee微功率無(wú)線通信模塊，USART串口通信遵循國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。電表端無(wú)線模塊主要功能有：采集智能電表數(shù)據(jù)、無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)、路由轉(zhuǎn)發(fā)其他數(shù)據(jù)；集中器端無(wú)線模塊功能主要有：接收智能電表數(shù)據(jù)并處理，通過(guò)串口傳輸數(shù)據(jù)至集中器或接收集中器命令信息，收發(fā)器發(fā)送集中器控制信息。本設(shè)計(jì)中，無(wú)線通信模塊圍繞高性能、低功耗的微控制器STM32F103和無(wú)線射頻芯片CC1100E進(jìn)行設(shè)計(jì)。
　　微控制器STM32F103采用ARM 32位的CortexM3 CPU，工作頻率為72 MHz，并且外部接口豐富，具有51個(gè)通用輸入輸出端口（General Purpose Input Output，GPIO），2個(gè)串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface, SPI），3個(gè)通用同步/異步串行接收/發(fā)送器(Universal Synchronous/ Asynchronous Receiver /Transmitter, USART)，2個(gè)12位模數(shù)變換器(AnalogtoDigital Converter, ADC)。
　　CC1100E是一款適用于低功耗射頻應(yīng)用的高性能射頻收發(fā)器，常用工作頻段為470~510 MHz及950~960 MHz。射頻性能方面，CC1100E具有高靈敏度、低電流消耗等優(yōu)勢(shì)；模擬特性方面，通過(guò)與收發(fā)器集成可配置基帶調(diào)制解調(diào)器，CC1100E支持2FSK、GFSK、OOK及MSK等多種調(diào)制格式；數(shù)字特性方面，CC1100E提供同步字檢測(cè)、地址校驗(yàn)、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度可變及自動(dòng) CRC 處理的片上支持；低功耗特性方面，CC1100E在睡眠模式下電流消耗為400 nA，從睡眠模式下喚醒快且具有自動(dòng)低功耗接收輪詢無(wú)線喚醒功能。抄表終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
　

　　集中器端及電表端采用相同的微功率無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)，為完成串口通信、無(wú)線通信、系統(tǒng)管理等一系列功能，ZigBee微功率無(wú)線通信模塊上放置有電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、CC1100E射頻電路、JTAG調(diào)試電路等各種外設(shè)電路，無(wú)線通信工作頻段為471~486 MHz，該設(shè)計(jì)下的無(wú)線模塊具有通信距離遠(yuǎn)、通信速率高和功耗較低等優(yōu)點(diǎn)。微功率無(wú)線通信模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
　　

3軟件設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)采用的開發(fā)平臺(tái)是IAR Systems公司的IAR Embedded Workbench for ARM，并利用STLINK/V2進(jìn)行程序下載和在線仿真調(diào)試。采用TI公司的ZStack協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)抽象層任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)初始化后進(jìn)入低功耗模式，事件發(fā)生時(shí)觸發(fā)中斷，系統(tǒng)為每類事件分配優(yōu)先級(jí)，并將事件加入到消息隊(duì)列中。系統(tǒng)采用事件輪詢機(jī)制，查詢消息隊(duì)列中是否有未處理的事件，如果有未處理的事件，則按照事件優(yōu)先級(jí)調(diào)用相應(yīng)的事件處理函數(shù)進(jìn)行處理，結(jié)束系統(tǒng)將進(jìn)入低功耗模式，有效地降低系統(tǒng)的功耗［57］。
　　除了對(duì)ZStack協(xié)議棧的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，還需要完成集中器端和電表端的應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)部分，實(shí)現(xiàn)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建和控制及準(zhǔn)確、可靠地抄讀電表數(shù)據(jù)。
　　3.1集中器端應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)
　　本抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，集中器端ZigBee微功率無(wú)線通信模塊是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制和維護(hù)。所以集中器端無(wú)線模塊即協(xié)調(diào)器需要完成兩個(gè)任務(wù)：ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建與維護(hù)；與集中器信息交互和抄讀網(wǎng)絡(luò)中電表用電信息。
　　集中器上電后，協(xié)調(diào)器將建立和啟動(dòng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。首先，協(xié)調(diào)器將檢測(cè)周圍無(wú)線環(huán)境并選擇合適的信道；其次，為該網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)表示符PAN ID，PAN ID一般選擇0x0000作為協(xié)調(diào)器的16位短地址。手動(dòng)輸入網(wǎng)絡(luò)中智能電表6 B硬件地址，集中器將啟動(dòng)檔案同步過(guò)程，即通過(guò)USART串口命令將手動(dòng)輸入的電表地址加入?yún)f(xié)調(diào)器。檔案同步結(jié)束后，集中器下發(fā)“重啟”或“恢復(fù)”命令，從而啟動(dòng)抄表流程。其中，協(xié)調(diào)器與集中器之間的信息交互軟件設(shè)計(jì)遵循國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 1376.2-2013集中器本地通信模塊接口協(xié)議［8］。
　　協(xié)調(diào)器根據(jù)指定路由方式和抄表方式組成無(wú)線幀向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)廣播，協(xié)調(diào)器收到電表數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，若電表地址不在協(xié)調(diào)器中，則進(jìn)行檔案同步過(guò)程。若地址正確，協(xié)調(diào)器向集中器發(fā)送上報(bào)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，得到確認(rèn)后向集中器上傳電表數(shù)據(jù)，從而可以通過(guò)電表硬件地址手動(dòng)操作集中器查看電表用電信息［8］。用電信息可通過(guò)集中器上的GPRS模塊傳輸給國(guó)家電網(wǎng)集抄中心。周期抄表流程如圖4所示。
　　

　　3.2電能表端軟件設(shè)計(jì)
　　電表端無(wú)線模塊接收到協(xié)調(diào)器的無(wú)線幀后進(jìn)行解析，若收到命令幀目的地址不正確，則丟棄該幀，否則根據(jù)無(wú)線幀內(nèi)容組成相關(guān)命令幀通過(guò)USART串口發(fā)送給電表，無(wú)線模塊獲得電表的反饋后組成無(wú)線幀發(fā)送給協(xié)調(diào)器，另外，載有電表用電信息的無(wú)線數(shù)據(jù)幀可通過(guò)其他電表無(wú)線模塊進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，直到無(wú)線幀到達(dá)協(xié)調(diào)器。其中智能電表與ZigBee微功率無(wú)線通信模塊之間的信息交互遵循國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T6452007多功能電能表通信協(xié)議［9］。電表端應(yīng)用層工作流程如圖5所示。
　　

4測(cè)試結(jié)果及分析
　　4.1發(fā)射功率測(cè)試
　　在IAR平臺(tái)上指定發(fā)射功率(CC1100E可配置輸出功率-20 dBm、-10 dBm、-5 dBm、0 dBm、5 dBm、7 dBm、10 dBm)，使用饋線連接模塊天線和頻譜分析儀，利用仿真器下載程序和在線調(diào)試。測(cè)試結(jié)果表明射頻功率符合技術(shù)指標(biāo)（≤17 dBm）。
　　4.2通信距離測(cè)試
　　將10個(gè)電能表節(jié)點(diǎn)分開放置在6層樓的不同樓層，集中器放置在一樓，通過(guò)空中抓包工具抓取無(wú)線幀并發(fā)送給計(jì)算機(jī)。通過(guò)計(jì)算機(jī)串口工具和集中器顯示器觀察電表數(shù)據(jù)抄讀情況，可以適當(dāng)拉大電表與集中器的距離再次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)經(jīng)前置放大，穿透樓層建筑墻面，有效傳輸距離為400 m左右，能夠滿足一般城市小區(qū)的工作環(huán)境。
　　4.3集中器與協(xié)調(diào)器交互過(guò)程測(cè)試
　　因?yàn)榧衅髋c協(xié)調(diào)器通過(guò)USART2進(jìn)行信息交互，可以在IAR環(huán)境下修改程序，將經(jīng)過(guò)USART2的信息輸出到USART1，然后連接計(jì)算機(jī)和USART1進(jìn)行觀察。測(cè)試結(jié)果表明，交互過(guò)程符合Q/GDW 1376.22013集中器本地通信模塊接口協(xié)議，可以有效啟動(dòng)抄表流程，軟件設(shè)計(jì)能夠完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。
　　4.4集中器抄表數(shù)據(jù)測(cè)試
　　采用1個(gè)集中器，3個(gè)電表。上電后將3個(gè)電表的6 B硬件地址添加到集中器，集中器檔案同步后自動(dòng)進(jìn)入周期抄表過(guò)程。通過(guò)集中器液晶顯示器可觀察抄讀的電表數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、上日正向有功等數(shù)據(jù)，如表1所示，與智能電表液晶顯示數(shù)據(jù)一致，表明該系統(tǒng)抄表正常，性能良好。

5結(jié)論
　　ZigBee協(xié)議簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)無(wú)資費(fèi)，且具有自組網(wǎng)、故障自愈、容量大、功耗低、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)的微功率無(wú)線抄表系統(tǒng)，采用高性能、低功耗的STM32F103微控制單元及CC1100E射頻芯片結(jié)合ZigBee協(xié)議架構(gòu)完成了軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了抄表的自動(dòng)化、智能化。若增加相應(yīng)傳感器，可用于集中抄讀小區(qū)用戶水表、燃?xì)獗淼?，具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　參考文獻(xiàn)
　?。?］ 胡占報(bào). 基于ZigBee的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.天津:河北工業(yè)大學(xué),2009.
　?。?］ 騰菲, 王寧.基于GSM短信的自動(dòng)抄表系統(tǒng)［J］.黑龍江電力,2005,27(4)306308.
　　［3］ 郭攀鋒.基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線心電數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［D］.合肥: 安徽大學(xué),2010.
　?。?］ 黃利軍. 基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2011.
　　［5］ 陳莉, 陶正蘇.環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J］. 儀表技術(shù)與傳感器,2008(10): 78,30
　?。?］ 周游, 方濱, 王普. 基于 ZigBee技術(shù)的智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用, 2005, 31(9) : 3740.
　?。?］ 毛艷峰,曾勉,崔文濤,等. 基于ZigBee和Internet技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］. 微型機(jī)與應(yīng)用, 2014,33(22):5456.
　　［8］ 國(guó)家電網(wǎng).Q/GDW 1376.22013電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議第2部分：集中器本地通信模塊接口協(xié)議［S］. 20130321.
　　［9］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL/T6452007多功能電能表通信協(xié)議［S］. 20071203.