基于ZigBee的远程电力抄表数据采集器设计

摘要：为设计一种安装维护方便，低功耗和数据通信可靠的数据采集终端，根据无线技术发展，提出一种基于无线传感器网络的远程电力数据采集器设计方案，AVR作为整个系统的核心控制器，负责对采集的电量数据进行处理，并进行智能控制，利用ZigBee短距离无线通信技术进行数据传输，大大减少了工程的布线复杂度，提高了数据通信的可靠性，降低了功耗。试验结果表明，终端工作可靠、正常。
关键词：无线传感器网络；数据采集器；ZigBee；低功耗

0 引言
    电量计量与抄收是现代电力营销系统的一个重要环节。传统的电量管理采用人工方式进行抄收和结算，具有一致性差，管理难度大等问题。由于电表分布点多、面广、环境复杂等特点，自动抄表系统一直难以实用化，其中的主要原因是缺少实用、可靠、廉价的数据传输手段和抄表终端。
    基于以上原因，设计一种安装维护方便、长期稳定可靠，不但可以抄读表具数据而且可以监控表具运行状态的远程抄表数据终端，已经成为业内亟待解决的问题。本文给出了一种基于ZigBee技术的远程自动抄表数据终端，通信质量好、工作可靠、经济实用，可以准确及时地将用户电能表数据抄取上传，是一种理想的自动抄表解决方案。

1 远程电力抄表系统整体框架设计
    系统运行时，首先通过电能表的RS 485总线数据接口传输给采集器。采集器巡检各表RS 485总线数据进行处理或计数，并将结果存储。采集器与集中器的通信采用ZigBee无线通信模块，采集器平时处于接收状态，当接收到集中器的操作指令时，按照指令内容操作，将本采集器有关数据通过无线通信模块送至集中器。集中器可以定时或实时地对下辖的采集器进行数据抄收，并进行存储。当上级设备——计算机调用数据时，则将所存储的数据打包送上。管理中心计算机可以对集中器，并通过集中器对采集终端进行各种操作。系统整体框架设计图如图1所示。

2 数据采集器节点的硬件设计
2．1 数据采集器硬件框图
    如图2所示，数据采集器模块中选用ATmega 1281单片机为数据处理单元，采用与ZigBee／IEEE 802．15．4兼容的无线射频收发芯片AT86RF230设计数据传输单元，数据采集单元采用RS 485总线技术巡检各电能表，并连接LCD1602和DS1302显示各电能表耗能数值和采集时间。本方案设计的数据采集器终端的下行通道采用RS 485总线与多台电表连接，用于电表的数据采集和通断电控制，上行通信采用ZigBee无线传感器网络技术，通过网络与数据集中器进行数据交互实现电表数据的远传。

2．2 微控制器与无线射频收发芯片的电路设计
    无线射频收发芯片选用基于ZigBee／IEEE 802．15．4设计的低功耗2．4 GHz无线收发芯片AT86RF230。如图3所示，ATmega1281通过4个SPI总线接口以及其他4条控制线与AT86RF230进行通信，在AT86RF230上电容C1和C2用于去直流偏置，CB2和CB4为供电电源的去耦合电容，CB1和CB3为电压调节器的负载电容，可以在低电压时保证芯片工作稳定，晶振XTAL与负载电容CX1和CX2构成晶振电路。微控制器通过SPI接口编程控制寄存器，同时完成与AT86RF230的数据交换。

2．3 采集单元的RS 485接口电路设计
    为了实现总线和微控制器的隔离，在微控制器的异步通信口与MAX485之间采用光耦隔离，如图4所示，ATmega1281的PD2，PD3，PD5通过光耦隔离器分别对接收、输入、控制信号起隔离作用。在输出线路设计上，R15为传输线路上的匹配电阻，以减少线路上传输信号的反射，在MAX485的485信号输出端串联了两个20 Ω的电阻R10，R11以防止由于本机的故障而影响总线中其他分机的通信，在485电路的A、B输出端加接上拉、下拉电阻R8，R9，使A端电位高于B端电位，这样RXD的电平在RS 485总线不发送期间(总线悬浮时)呈现惟一的高电平，这样就可以避免在总线上所有发送器被禁止时，常常误认为通信帧的起始引起工作不正常。通过以上设计就可以实现微控制器通过RS 485总线对其管辖的各电能计量单元的数据进行采集、处理、存储和控制的目的。

3 数据采集终端节点的软件实现
3．1 数据采集单元的传输协议
    本设计在数据采集部分的RS 485网络中采用多功能电能表通信规约(DL／T645-1997)作为电能表的远程控制通信协议，在整个网络中通信链路的建立和解除将由采集终端发出的信息帧来控制，通信字节格式如图5所示，传送方向由低到高位，一个起始位，一个停止位，一个偶校验位，八个数据位共11位。

    通信帧格式如图6所示。
    其中，帧起始符68H：标示一帧的开始。地址域A0～A5：地址长度可达12位十进制数，当从控制器接收到一帧数据时，地址域相同时应响应命令，取得总线控制权，当响应后应把总线控制权归还给主控制器。命令码C：执行相应的操作。数据域长度L：L为数据域的字节数，读数据时不大于200，写数据时不大于50。L=0表示无数据域。数据域DATA：发送时数据加33H，接收时数据减33H。校验码CS：即各字节二进制算术和，不计超过256的溢出值。结束符16H：标识一帧信息的结束，其值为16H。
    数据采集终端节点与若干个电能表组成一个485网络，作为RS 485网络的主机，根据(DL／T645-1997)通信规约，其操作基本发送和接收流程图如图7，图8所示，根据流程图所示编写程序，就可以实现RS 485网络的主从机的正常通信，并完成数据采集终端对各电能表的数据采集功能。

3．2 ZigBee网络节点的软件设计
    作为无线传感器网络中的网络节点，数据采集终端负责采集底端数据和传输数据到顶层集中器的功能，其传输单元采用。符合IEEE 802．15．4标准的ZigBee协议，在IEEE 802．15．4标准中定义了一套新的数据传输协议，本设计采用的AT86RF230无线传输模块根据其标准，按照其物理层和MAC层的帧格式来传输数据。
    ZigBee物理层协议数据单元(PPDU)又称物理层数据包，其格式如图9所示。由图可见，PPDU是由物理层有效载荷、前面的附加同步包头和物理层包头组成。

    一个完整的MAC层帧有帧首部，帧载荷(即数据)和帧尾三部分构成，其中帧首部又有若干个域按一定顺序排列，但并不是所有的帧中都包含全部的域。MAC层帧结构如图10所示。由图可见，帧首部有帧控制域、序列号、地址域等，其中地址域又包含目的PAN标识符、目的地址、源PAN标识符和源地址等。

    在本方案中，帧发送和接收程序设计按照ZigBee协议栈的要求，其中程序中定义的发送数据结构体包含帧序列号、目的地址、源地址、网络PAN标识符和数据指针信息等信息，ZigBee无线传感器网络中网络节点的发送和接收流程图如图11，图12所示。

4 结语
    本文设计的远程电力数据采集器终端方案，在硬件上详细分析了其各部分硬件设计和接口电路，实现了低功耗的目的，在软件上分析各层通信的具体实现方案和关键技术，提高了数据通信的可靠性，本文创新点在于结合了RS 485总线技术，将ZigBee无线通信技术应用到远程电力抄表系统中，具体一定的实用价值。