基于ZigBee的电能无线抄表系统的设计

唐明军++潘建华

摘 要：针对ZigBee技术在无线抄表系统的应用，研究并设计了基于ZigBee技术的电能无线抄表系统。该系统以主控芯片CC2530、电能计量芯片RN8209G为核心构建了一款新型智能电表，可实现对电能数据的自动检测、计量、存储，同时通过ZigBee无线通信模块将采集到的电能信息发送到ZigBee数据集中器，数据集中器再利用GPRS网络将数据发送到抄送中心，从而实现电能无线自动抄表。测试表明，系统组网简单、计量精度高、稳定性好、易于维护，能够满足电能自动抄表的要求。

关键词：ZigBee技术；无线抄表；GPRS；智能电表

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）11-00-02

0 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。

图1 基于ZigBee的电能无线抄表系统原理图

图2 单相费控智能电能表结构框图

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。

图3 分流器高精度电流采样改进电路

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。

图4 DTU端与服务器端通信协议转换图

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。

图5智能电表主程序设计流程图 图6 数据集中器软件设计流程图

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。

参考文献

[1]黄璟.基于ARM9和CC2530的远程无线抄表系统设计[J].陕西理工学院学报（自然科学版），2014，30（5）：16-20.

[2]时志娜.基于ZigBee技术的电能计量无线抄表系统的研究[D].焦作：河南理工大学，2009.

[3]李金凤，刘丰喜，杨中华，等.基于无线传感器网络及GPRS的水质监测系统设计[J].计算机测量与控制，2014，22（12）：3887-3890.

[4]宁菲菲，赵伟艇.基于ZigBee的社区无线抄表系统设计[J].计算机与数字工程，2014，42（9）：1725-1728.