基于ZigBee的电能无线抄表系统的设计

引 言

随着无线通信技术和计算机网络技术的发展，特别是智能电网国家战略的推进，基于无线传输的自动抄表方式已逐步成为电能抄表的主要发展趋势。目前，无线自动抄表系统有基于 GSM、GPRS和红外线、蓝牙、ZigBee 技术等无线通讯手段， 建立在IEEE802.15.4无线通信标准上的ZigBee技术，使用国际通用免费频段，具有自组织网、开发使用简单、功耗成本低、网络容量大、可靠性高等特点[1]。本文设计了一种基于嵌入式技术、ZigBee技术和 GPRS技术的电能无线自动抄表系统， 并采用低成本低功耗的ZigBee芯片CC2530完成抄表功能。

1 系统总体设计方案

电能无线抄表系统主要由采集终端（智能电表）、ZigBee 采集器、数据集中器、集抄中心、无线通信网络等部分组成。智能电表实时采集电能数据，通过ZigBee 无线通信网络定期将数据上传到ZigBee 采集器，再次通过 ZigBee 无线通信网络将数据汇总到数据集中器，然后通过GPRS 通信网络将数据传输到远端集抄中心，实现电能远程无线集中抄送。其中， ZigBee 采集器按照系统要求定期采集智能电表中的电能数据， 并通过ZigBee 网络将电能数据信息传送到数据集中器。当各智能电表分布距离较远时，ZigBee 采集器相当于路由器，智能电表即作为路由器设备在网络中起路由和允许其他节点加入网络的功能[2]。数据集中器相当于协调器，通过ZigBee 网络汇总处理所有电能数据信息，并负责启动和配置整个网络。基于ZigBee 的电能无线抄表系统方案如图 1 所示。

2 系统硬件电路设计

2.1 智能电表硬件电路组成

本系统智能电表主要由CC2530 主控芯片、RN8209 电能计量芯片、电源电路、电流 / 电压采样电路、数据存储电路、LCD 显示电路、功能按键电路、通信接口电路等部分组成。RN8209 实时采样电能数据，通过 SPI 串口与CC2530 主控芯片进行通信，完成电能的计量。CC2530 主控芯片协调控制各功能电路，实现智能电能表电能计量、信息存储及处理、实时监测等功能，具体结构框图如图 2 所示。

为提高电能表的计量精度，本设计对分流器电流采样电路进行改进研究，具体的改进电路如图 3 所示。在低通滤波器前加装一个4 通道双向模拟开关芯片。K1、K3 的控制端相连， 接收MCU 的一个I/O 口控制信号以控制通断；K2、K4 的控制端相连，接收MCU 的另一个I/O 口控制信号以控制通断。

(1) 当电流小于 Ith 时，MCU 控制K2和 K4的I/O输出低电平，K2和K4处于断开状态，电流采集与原电路相近。

(2) 当电流大于 Ith时，MCU 控制K2和 K4的I/O输出高电平，K2和K4 处于闭合状态。

采集单元差分放大器采集的电压为 R1 和 R2 的输入端电压，即 K2 和K4 两端的电压，由于K1、K2、K3 和K4 的导通电阻相等，而且温度改变时也保持相等，因此无论何种温度情况下取样电压确保为分流器采集电压的 0.5 倍，MCU 只要知道此时采集电压为 0.5 倍并进行相应放大处理即可。

2.2 数据集中器电路设计

为了和终端节点相匹配， 本系统集中器的设计同样选用TI 公司的 CC2530 主控芯片， 为扩大网络覆盖范围， 在CC2530 主控芯片的基础上外加射频前端芯片CC2591[3]。

2.3 GPRS传输模块设计

系统选用传输距离远、环境适应性好、实时在线的GPRS 作为通信网络，选择WG-8010-232 GPRS DTU 模块为其相应的硬件模块，将现场采集到的电量信息发送至服务器端。DTU 端与服务器端的通信过程和其间的协议转换过程如图 4 所示。

3 系统软件程序设计

3.1 智能电表的软件设计

智能电表的软件设计主要包括智能电表的初始化、电表 数据的采样与计量、电表数据的显示、电表的数据传输。具 体主程序设计流程如图 5 所示。

3.2 ZigBee 网络节点的软件设计

ZigBee 网络节点软件设计主要包括 ZigBee 采集器软件 设计和数据集中器软件设计。数据集中器作为 ZigBee 网络的 中心节点，负责组建 ZigBee 无线网络、发送同步信息、接收 ZigBee 采集器的数据并通过 GPRS 网络上传至集抄中心 [4]。

数据集中器软件设计流程如图 6 所示。

4 系统调试

按照系统硬件设计方案，本文选配了智能电表、ZigBee 模块、个人计算机等主要功能模块，搭建了系统硬件开发平台， 具体硬件开发平台见图 7 所示。运用Delphi 语言开发了电能监测管理软件，具体界面如图 8 所示。系统重点对 Zigbee 集中器抄表网络关键性能指标进行测试，测试结果如表 1 所列。

5 结 语

本文设计的基于 ZigBee 技术的电能无线抄表系统，以 嵌入主控芯片 CC2530 的无线智能电表为终端，充分利用了ZigBee 技术与 GPRS 无线通信技术，实现了电能远程无线自 动抄表，为居民小区、学生公寓等区域的电能无线抄表提供了 一种可行、适用、成本相对较低的解决方案。