基于Zigbee 技术的远程抄表系统的硬件设计

摘要：该文介绍了Zigbee技术及基于Zigbee技术的远程抄表系统设计方案，详细叙述了抄表系统中电能表和集中收发器的硬件设计实现。

关键词：Zigbee；远程抄表；电能表；集中收发器

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）27-0189-03

Abstract： This paper introduces the design scheme of the remote meter reading system based on Zigbee technology and Zigbee technology， and describes the hardware design and implementation of the meter and the transceiver in the meter reading system.

Key words： zigbee； remote meter reading； electric energy meter； centralized transceiver

目前，我国的电力营销部门的主要抄表方式是手工抄收和IC卡预付费电能表。手工抄表存在效率低下、费用大、错误率高、对用电情况难以统计分析、不能实时监控等缺点，IC卡预付费电表存在IC卡直接与用户接触容易损坏、不能解决盗电问题、不了解用户实际使用情况等缺点。近年来随着电子信息技术的迅速发展，出现了远程自动抄表系统。

远程自动抄表系统按照通信介质的不同又分为有线和无线方式，有线远程抄表系统可以有效解决手工抄表和IC卡预付费电表存在的缺点，但是同样也存在着问题：布线麻烦，安装成本高，不易于扩展性等等。无线以其技术先进、传输速率快、便于实现、高可靠性、成本低廉优点，是未来电力抄表方式的必然发展趋势。因此，本文提出了基于Zigbee技术的远程抄表系统。

1 Zigbee技术简介

科学技术的日新月异，与此同时无线通信技术也得到了快速发展，Zigbee技术也就应运而生了，它主要是面向低成本的设备无线联网的要求。Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。ZigBee 是 IEEE 802.15.4 技术的商业名称，该技术的核心由2000年12月成立的 IEEE 802.15.4工作组制定（2003年5月通过标准），高层应用、互联互通测试和市场推广由 2002 年组建的 ZigBee 联盟负责。ZigBee 联盟由英国Invensys 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等组成，已经吸引了上百家芯片公司、无线设备开发商和制造商的加入（2005年初公布 zigbee1.0标准）。[1]

Zigbee技术具有以下优点：[2]

设备省电。Zigbee技术在工作情况下，传输速率低，传送数据量小，工作时间短；不工作时处于休眠状态，这可确保采用Zigbee技术的节点两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。

通信可靠。Zigbee技术的MAC层采用了碰撞避免机制，发送的数据包只有确认信息回复后才进行下一数据包传输。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。

成本低廉。设备的复杂程度低，且ZigBee协议是免专利费的；ZigBee的工作频段灵活，全球为免执照频段的2.4GHz，（欧洲为868MHz，北美为915 MHz），是没有使用费的无线通信。

时延短。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。典型设备搜索时延值为30 ms，休眠激活时延值是15 ms，活动设备信道接入时延为15 ms，适合工业控制等领域。

网络容量大。ZigBee可以采用星形、网状、簇状结构组网，而且可以通过任一节点连接组成更大的网络结构，一个ZigBee网络可以最多容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内最多可以同时存在100个独立而且相互重叠覆盖的Zigbee网络，如果通过协调器，则一个网络最多可以支持64000个节点。

数据安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

2 系统总体构成

基于Zigbee的无线远程抄表系统主要有三部分组成：电能表、数据集中收发器和中心服务器，系统结构如图1所示。

本系统各部分的功能如下：

电能表：纪录、存储用户用电信息，接收指令，发送数据信息。

数据集中收发器：将电力中心服务器的指令转发给电能表，将电能表传送的数据信息转发给电力中心服务器，备份数据信息。

中心服务器：通过抄表管理软件对电能表信息进行抄收，用户缴费，用电数据分析，打印等。

在本系统中，每块电能表都嵌有Zigbee协议栈的无线射频芯片，电能表的数据信息通过无线方式直接或者通过中继节点传送给小区的Zigbee集中器，集中器收到电能表传送的信息经过检准确无误以后，向电能表发送确认回复，同时把信息保存到Flash，然后通过GPRS方式把收到的数据信息传送给电力中心服务器，从而实现无线远程自动抄表。

3 具体的硬件设计

3.1电能表的设计

电能表的硬件电路由微控制器MCU、Zigbee通讯模块、电能计量模块、电源电路模块、输入输出电路以及其他电路等组成，其原理图如图2。其中MCU是整个电能表的核心，它負责定时从电能计量模块采集数据，并对数据处理后进行存储，同时MCU还负责控制Zigbee模块的通信，另外还负责电能表各个部件的协调控制、人机交互、检测电源电压等。电能计量电路是电能表计量准确的关键，是电能表计量功能的体现。Zigbee模块是电能表与集中收发器通信的部件，是实现远程无线抄表的关键。这里重点介绍MCU、电能计量模块和Zigbee模块的技术实现。

MCU选用Atmega128微控制器芯片。Atmega128是美国Atmel公司推出8位微控制器，其结构基于AVR RISC，其突出优点就是高新能、低功耗，高频率（最高可达16MHz）。由于Atmega128先进的指令集、高数据吞吐率、单周期指令执行时间，这些可以很好的缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。Atmega128内含128K字节的系统内可编程Flash、4K字节的EEPROM、4K字节的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计时器、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、JTAG测试接口等。Atmega128具有高性能、低功耗、低价位等优点，能够电能表准确、稳定的要求，其I2C、SPI总线接口能够很好的与其他功能电路接口兼容。

电能计量芯片选用ADE7755电能测量集成芯片。ADE7755是美国ADI公司生产的用于功率测量或电能计量的专用集成电路，芯片的输入引脚能够直接与传感器相连接。其精度很高，在500：1的动态范围内的误差小于1%；能够满足50Hz/60Hz IEC687/1036标准的精度要求；采用CMOS结构，单+5V工作电压，功耗很低；内置电源监控电路；内置防潜动功能电路（空载阈值）。ADE7755在恶劣的环境条件下能长期保持稳定，而且准确度很高，主要是因为其只在基准源和ADC电路中使用模拟电路，其他信号处理完全使用数字电路，这使得它完全满足电能表高精度、低成本要求。在电路连接上，线电压经过电阻的分压、滤波后的电压信号接V2P和V2N端，负载电流经过滤波接V1P和V1N端；为了加强内部基准不受外界干扰，在基准电源输出端加上一个10μF电容滤波。将ADE7755的CF引脚输出的脉冲信号接到Atmega128的定时器输入端，REVP引脚通过光藕器件和Atmega128电路进行隔离输出。

Zigbee模块选CC2420无线射频芯片。CC2420是CHIPCOM公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4标准的射频芯片，是第一款适用于Zigbee产品的RF器件，在应用中只需配备极少外部器件就可以完成设计，而它的功耗低且性能稳定。CC2420的特点有数据速率最高达250Kbps，供电电压低（2.1—3.6V），内部集成有VCO、LAN、PA以及电源整流器，抗干扰能力强等。CC2420与微处理器Atmega128通过SPI口连接，在本电能表设计中Atmega128的SPI接口作为主控制模式，CC2420的SPI接口作为从模式。引脚连接上CC2420的SO端与Atmega128的MISO（13脚）相连，CC2420的S I端与Atmega128的MOSI（12脚）相连，CC2420的SCLK端、CSn端分别与Atmega128的串行时钟SCK（11脚）、模式选择SS（10脚）相连。

3.2集中收发器设计

集中收发器是以MCU微控制器为核心，MCU分别控制Zigbee模块、GPRS模块与小区电能表、中心服务器的数据传送。其主要由MCU微控制器、Zigbee模块、GPRS模块、存储模块以及其他外围部分构成，组成硬件原理图如图3。集中收发器不仅负责控制与上、下位机的通信，而且还要定期查询，定期抄收，保存数据，因此这里选用功能强大的嵌入式微处理器LPC2214和大容量的Flash存储器SST39VF160。

由于集中器收发器中MCU的任务比较繁重，因此选用Philips公司的32位嵌入式微处理器LPC2214。LPC2214是一款基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM的高性能RISC微控制器，它有144管脚，带有16K字节片内静态RAM和256K字节嵌入式高速Flash存储器，集成了向量控制器，外部總线控制器，8路10位A/D转换器（最低转换时间2.44ms），2个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道），6路输出PWM单元，2个16C550工业标准UART，高速I2C接口（400kbit/s），2个SPI接口、实时时钟，看门狗定时器以及112个通用I/O引脚，高时钟频率为60MHz，并且有极低的功耗。其优良的性能、强大的处理能力、极地的功耗非常适合于集中收发器。[3]

GPRS模块选用GR47芯片，GR47是Sony/Errison公司推出的一款内嵌TCP/IP协议栈的GSM/GPRS模块。GR47的Flash空间中44KB可以用于存放程序，64KB可用于存放数据，RAM空间具有256KB，可以满足大多数相关产品设计的需求，从而可以非常容易利用GPRS进行数据传输。GR47对外有3个串口，其中串口1作AT指令通道或程序下载用，串口2主要用于调试程序，串口3为通用232口，可以连接其他外部设备，另外还有I2C、SPI总线和8根I/O线。在电路设计中将微控制器LPC2214与GR47模块结合起来，LPC2214通过UART1向GR47发送AT指令，具体连接是GR47模块采用串行RS-232接口与LPC2214的UART1相连（包括DTR、RTS、DCD、CTS、DSR、RXD、TXD、RI端）。

集中收发器中选用的Zigbee模块和电能表相同，都是CC2420，电路连接也相似，这里不再赘述。

4 结束语

本文所设计的基于Zigbee技术的抄表系统具有功耗低、自动化程度高、通讯可靠、成本低廉等特点。通过本系统可以很方便完成对电表的查抄工作，降低了人工的劳动强度，提高了抄表数据的准确度。

参考文献：

[1] 王锐华，于全.浅析ZigBee技术[J].电视技术，2004（6）33-35.

[2] 王权平，王莉.Zigbee技术简析[J].通信世界，2003（4）.

[3] 任子真，王向阳.远程抄表中集中器的设计[J].微计算机信息，2008（8-1）：177-179.

[4] http：//www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/ADE7755.pdf.

[5] 王伟国.基于CC1100的无线抄表系统[J].计算机与数字工程.2009（1）：171-173.

[6] 鲍卫兵，陈伟杰. 基于Zigbee的无线抄表系统的设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2013（2）.

[7] 李鸿，王林珠. RFID技术与Zigbee网络融合的幼儿园安全管理系统[J].智能系统学报，2013（5）.

[8] 汪银芳，马世伟.一种基于Zigbee的无线抄表系统研究与实现[J].测控技术，2013（1）.