針對ZigBee技術在無線抄表係統的應用,研究並設計了基於ZigBee技術的電能無線抄表係統。該(gai)係統以(yi)主控芯片CC2530、電能計量芯片RN8209G為核心構(gou)建了一款新型智能電表,可實現對電能數據的自動檢(jian)測、計量、存儲,同時通過ZigBee無線通信模塊將(jiang)采集到的電能信息發送(song)到ZigBee數據集中器,數據集中器再利用GPRS網絡將(jiang)數據發送(song)到抄送(song)中心,從(cong)而(er)實現電能無線自動抄表。測試表明,係統組網簡單、計量精度高、穩定性好、易於維護,能夠(gou)滿足電能自動抄表的要求。
隨著無線通信技術和計算機網絡技術的發展,特別(bie)是(shi)智能電網國(guo)家(jia)戰略(lue)的推(tui)進,基於無線傳輸的自動抄表方式已(yi)逐步(bu)成為電能抄表的主要發展趨勢。目前,無線自動抄表係統有基於GSM、GPRS和紅外線、藍牙、ZigBee技術等無線通訊手段,建立在IEEE802.15.4無線通信標(biao)準上的ZigBee技術,使用國(guo)際通用免費頻段,具有自組織網、開發使用簡單、功耗成本低、網絡容量大、可靠性高等特點。本文設計了一種基於嵌(qian)入式技術、ZigBee技術和GPRS技術的電能無線自動抄表係統,並采用低成本低功耗的ZigBee芯片CC2530完(wan)成抄表功能。
1係統總(zong)體設計方案
電能無線抄表係統主要由采集終端(智能電表)、ZigBee采集器、數據集中器、集抄中心、無線通信網絡等部分組成。智能電表實時采集電能數據,通過ZigBee無線通信網絡定期將(jiang)數據上傳到ZigBee采集器,再次通過ZigBee無線通信網絡將(jiang)數據彙(hui)總(zong)到數據集中器,然後通過GPRS通信網絡將(jiang)數據傳輸到遠(yuan)端集抄中心,實現電能遠(yuan)程無線集中抄送(song)。其中,ZigBee采集器按照係統要求定期采集智能電表中的電能數據,並通過ZigBee網絡將(jiang)電能數據信息傳送(song)到數據集中器。當各智能電表分布距離較遠(yuan)時,ZigBee采集器相當於路由器,智能電表即作為路由器設備在網絡中起路由和允(yun)許其他節點加入網絡的功能。數據集中器相當於協調器,通過ZigBee網絡彙(hui)總(zong)處(chu)理所有電能數據信息,並負責啟(qi)動和配置整(zheng)個網絡。
2係統硬(ying)件電路設計
2.1智能電表硬(ying)件電路組成
本係統智能電表主要由CC2530主控芯片、RN8209電能計量芯片、電源電路、電流/電壓采樣(yang)電路、數據存儲電路、LCD顯示電路、功能按鍵電路、通信接口電路等部分組成。RN8209實時采樣(yang)電能數據,通過SPI串口與CC2530主控芯片進行通信,完(wan)成電能的計量。CC2530主控芯片協調控製各功能電路,實現智能電能表電能計量、信息存儲及處(chu)理、實時監(jian)測等功能。
為提高電能表的計量精度,本設計對分流器電流采樣(yang)電路進行改(gai)進研究。在低通濾(lv)波器前加裝(zhuang)一個4通道(dao)雙向模擬開關芯片。K1、K3的控製端相連,接收MCU的一個I/O口控製信號以(yi)控製通斷;K2、K4的控製端相連,接收MCU的另一個I/O口控製信號以(yi)控製通斷。
(1)當電流小於Ith時,MCU控製K2和K4的I/O輸出低電平,K2和K4處(chu)於斷開狀態,電流采集與原電路相近。
(2)當電流大於Ith時,MCU控製K2和K4的I/O輸出高電平,K2和K4處(chu)於閉合狀態。
采集單元(yuan)差分放(fang)大器采集的電壓為R1和R2的輸入端電壓,即K2和K4兩端的電壓,由於K1、K2、K3和K4的導通電阻相等,而(er)且溫(wen)度改(gai)變時也保持相等,因此(ci)無論(lun)何種溫(wen)度情況(kuang)下取樣(yang)電壓確保為分流器采集電壓的0.5倍,MCU隻(zhi)要知道(dao)此(ci)時采集電壓為0.5倍並進行相應放(fang)大處(chu)理即可。
2.2數據集中器電路設計
為了和終端節點相匹配,本係統集中器的設計同樣(yang)選用TI公司的CC2530主控芯片,為擴大網絡覆蓋(gai)範(fan)圍,在CC2530主控芯片的基礎上外加射頻前端芯片CC2591[3]。
2.3 GPRS傳輸模塊設計
係統選用傳輸距離遠(yuan)、環境適應性好、實時在線的GPRS作為通信網絡,選擇WG-8010-232 GPRS DTU模塊為其相應的硬(ying)件模塊,將(jiang)現場采集到的電量信息發送(song)至服務器端。
3係統軟件程序(xu)設計
3.1智能電表的軟件設計
智能電表的軟件設計主要包括智能電表的初(chu)始化、電表數據的采樣(yang)與計量、電表數據的顯示、電表的數據傳輸。具體主程序(xu)設計流程如圖5所示。
3.2 ZigBee網絡節點的軟件設計
ZigBee網絡節點軟件設計主要包括ZigBee采集器軟件設計和數據集中器軟件設計。數據集中器作為ZigBee網絡的中心節點,負責組建ZigBee無線網絡、發送(song)同步(bu)信息、接收ZigBee采集器的數據並通過GPRS網絡上傳至集抄中心。
4係統調試
按照係統硬(ying)件設計方案,本文選配了智能電表、ZigBee模塊、個人計算機等主要功能模塊,搭(da)建了係統硬(ying)件開發平台,係統重點對Zigbee集中器抄表網絡關鍵性能指標(biao)進行測試。
基於ZigBee技術的電能無線抄表係統,以(yi)嵌(qian)入主控芯片CC2530的無線智能電表為終端,充分利用了ZigBee技術與GPRS無線通信技術,實現了電能遠(yuan)程無線自動抄表,為居民小區、學生公寓等區域(yu)的電能無線抄表提供了一種可行、適用、成本相對較低的解決方案。