基于ZigBee的微功率无线抄表系统设计

李永尚

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210009)



基于ZigBee的微功率无线抄表系统设计

李永尚

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210009)

针对目前抄表系统中存在的成本高、功耗大、网络规模小、抗干扰能力差等问题，提出了一种基于ZigBee协议的微功率无线抄表系统。该系统以STM32F103微控制器和CC1100E无线射频芯片为核心，对网络中的终端电表节点无线通信模块、集中器节点无线通信模块的硬件和软件进行了模块化设计。试验表明该无线抄表系统具有功耗低、成本低、可靠性高、灵活性强和可扩展性等特点。

ZigBee协议；无线抄表系统；STM32F103；CC1100E

引用格式：李永尚. 基于ZigBee的微功率无线抄表系统设计[J].微型机与应用，2016,35(16)：88-90，94.

0　引言

目前，我国仍有部分地区采用人工抄表的方式，存在效率低、成本高、实时性和准确性低等缺点，且易发生错抄、漏抄等现象。有线自动抄表方式主要有两种：RS485总线方式和电力线载波方式。RS485总线方式需要大量布线，存在空间局限性及成本高的缺点[1-3]；电力线载波抄表方式去掉额外的数据线路，直接以低压输电线路为传输介质,因此具有安装方便、成本低等优势，但是，电磁干扰和输电线路负载变化都会导致其抗干扰能力弱，稳定性及可靠性较低[2-5]。随着计算机和通信技术的发展，无线抄表方式已经得到实际应用，可有效降低成本，实时、可靠且高效地抄读电表信息。与红外、蓝牙、WiFi等无线技术相比,ZigBee技术具有功耗低、距离长、成本低、容量大及组网能力强等优点，尤其适合数据通信量小、传输率低的无线抄表领域[4-7]。

本文实现了一种无线抄表系统，选用高性能、低功耗的控制器和收发器，结合ZigBee协议栈对无线模块进行设计。试验结果表明，本系统可准确抄读电表信息，通信距离达400 m左右，满足一般小区抄表需求。

1　总体设计及工作原理

本系统基于ZigBee技术和GPRS技术来搭建，主要由智能电表、集中器和国家电网3部分组成。其中智能电表和集中器组成抄表终端系统，集中器和电表都安装了ZigBee微功率无线通信模块，所有模块组成ZigBee网络。集中器端无线模块作为中枢节点即ZigBee网络中的协调器，负责采用指定路由方式对整个ZigBee网络中的智能电表用电信息进行采集，并且对ZigBee网络进行维护，另外集中器端还安装有GPRS模块，通过GPRS网络与国家电网进行数据传输。远程无线抄表系统总体方案设计如图1所示。

图1　远程无线抄表系统总体方案设计

2　硬件设计

集中器与智能电表都预留有USART串口以便安装ZigBee微功率无线通信模块，USART串口通信遵循国家相关标准。电表端无线模块主要功能有：采集智能电表数据、无线传输数据、路由转发其他数据；集中器端无线模块功能主要有：接收智能电表数据并处理，通过串口传输数据至集中器或接收集中器命令信息，收发器发送集中器控制信息。本设计中，无线通信模块围绕高性能、低功耗的微控制器STM32F103和无线射频芯片CC1100E进行设计。

微控制器STM32F103采用ARM 32位的Cortex-M3 CPU，工作频率为72 MHz，并且外部接口丰富，具有51个通用输入输出端口(General Purpose Input Output，GPIO)，2个串行外设接口(Serial Peripheral Interface, SPI)，3个通用同步/异步串行接收/发送器(Universal Synchronous/ Asynchronous Receiver /Transmitter, USART)，2个12位模数变换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)。

CC1100E是一款适用于低功耗射频应用的高性能射频收发器，常用工作频段为470～510 MHz及950～960 MHz。射频性能方面，CC1100E具有高灵敏度、低电流消耗等优势；模拟特性方面，通过与收发器集成可配置基带调制解调器，CC1100E支持2-FSK、GFSK、OOK及MSK等多种调制格式；数字特性方面，CC1100E提供同步字检测、地址校验、数据包长度可变及自动 CRC 处理的片上支持；低功耗特性方面，CC1100E在睡眠模式下电流消耗为400 nA，从睡眠模式下唤醒快且具有自动低功耗接收轮询无线唤醒功能。抄表终端硬件结构如图2所示。

图2　抄表终端硬件结构

集中器端及电表端采用相同的微功率无线通信模块设计，为完成串口通信、无线通信、系统管理等一系列功能，ZigBee微功率无线通信模块上放置有电源电路、时钟电路、复位电路、CC1100E射频电路、JTAG调试电路等各种外设电路，无线通信工作频段为471～486 MHz，该设计下的无线模块具有通信距离远、通信速率高和功耗较低等优点。微功率无线通信模块硬件结构框图如图3所示。

图3　微功率无线通信模块硬件结构

3　软件设计

本系统采用的开发平台是IAR Systems公司的IAR Embedded Workbench for ARM，并利用ST-LINK/V2进行程序下载和在线仿真调试。采用TI公司的Z-Stack协议栈，实现操作系统抽象层任务调度。系统初始化后进入低功耗模式，事件发生时触发中断，系统为每类事件分配优先级，并将事件加入到消息队列中。系统采用事件轮询机制，查询消息队列中是否有未处理的事件，如果有未处理的事件，则按照事件优先级调用相应的事件处理函数进行处理，结束系统将进入低功耗模式，有效地降低系统的功耗[5-7]。

除了对Z-Stack协议栈的简化设计，还需要完成集中器端和电表端的应用层软件设计部分，实现整个ZigBee网络组建和控制及准确、可靠地抄读电表数据。

3.1集中器端应用层软件设计

本抄表系统设计中，集中器端ZigBee微功率无线通信模块是ZigBee网络中的协调器，负责整个网络的控制和维护。所以集中器端无线模块即协调器需要完成两个任务：ZigBee网络的组建与维护；与集中器信息交互和抄读网络中电表用电信息。

集中器上电后，协调器将建立和启动ZigBee网络。首先，协调器将检测周围无线环境并选择合适的信道；其次，为该网络选择一个网络表示符PAN ID，PAN ID一般选择0x0000作为协调器的16位短地址。手动输入网络中智能电表6 B硬件地址，集中器将启动档案同步过程，即通过USART串口命令将手动输入的电表地址加入协调器。档案同步结束后，集中器下发“重启”或“恢复”命令，从而启动抄表流程。其中，协调器与集中器之间的信息交互软件设计遵循国家电网公司企业标准Q/GDW 1376.2-2013集中器本地通信模块接口协议[8]。

协调器根据指定路由方式和抄表方式组成无线帧向网络节点广播，协调器收到电表数据后进行处理，若电表地址不在协调器中，则进行档案同步过程。若地址正确，协调器向集中器发送上报数据请求，得到确认后向集中器上传电表数据，从而可以通过电表硬件地址手动操作集中器查看电表用电信息[8]。用电信息可通过集中器上的GPRS模块传输给国家电网集抄中心。周期抄表流程如图4所示。

图4　周期抄表流程图

3.2电能表端软件设计

电表端无线模块接收到协调器的无线帧后进行解析，若收到命令帧目的地址不正确，则丢弃该帧，否则根据无线帧内容组成相关命令帧通过USART串口发送给电表，无线模块获得电表的反馈后组成无线帧发送给协调器，另外，载有电表用电信息的无线数据帧可通过其他电表无线模块进行路由转发，直到无线帧到达协调器。其中智能电表与ZigBee微功率无线通信模块之间的信息交互遵循国家电网公司企业标准DL/T645-2007多功能电能表通信协议[9]。电表端应用层工作流程如图5所示。

图5　电表端应用层工作流程图

4　测试结果及分析

4.1发射功率测试

在IAR平台上指定发射功率(CC1100E可配置输出功率-20 dBm、-10 dBm、-5 dBm、0 dBm、5 dBm、7 dBm、10 dBm)，使用馈线连接模块天线和频谱分析仪，利用仿真器下载程序和在线调试。测试结果表明射频功率符合技术指标(≤17 dBm)。

4.2通信距离测试

将10个电能表节点分开放置在6层楼的不同楼层，集中器放置在一楼，通过空中抓包工具抓取无线帧并发送给计算机。通过计算机串口工具和集中器显示器观察电表数据抄读情况，可以适当拉大电表与集中器的距离再次试验。试验结果表明本系统经前置放大，穿透楼层建筑墙面，有效传输距离为400 m左右，能够满足一般城市小区的工作环境。

4.3集中器与协调器交互过程测试

因为集中器与协调器通过USART2进行信息交互，可以在IAR环境下修改程序，将经过USART2的信息输出到USART1，然后连接计算机和USART1进行观察。测试结果表明，交互过程符合Q/GDW 1376.2-2013集中器本地通信模块接口协议，可以有效启动抄表流程，软件设计能够完成系统设计需求。

4.4集中器抄表数据测试

采用1个集中器，3个电表。上电后将3个电表的6 B硬件地址添加到集中器，集中器档案同步后自动进入周期抄表过程。通过集中器液晶显示器可观察抄读的电表数据，包括电压、电流、有功功率、无功功率、上日正向有功等数据，如表1所示，与智能电表液晶显示数据一致，表明该系统抄表正常，性能良好。

表1　集中器显示抄读信息

5　结论

ZigBee协议简单，网络无资费，且具有自组网、故障自愈、容量大、功耗低、安装维护方便等优点。基于ZigBee技术设计的微功率无线抄表系统，采用高性能、低功耗的STM32F103微控制单元及CC1100E射频芯片结合ZigBee协议架构完成了软硬件设计，实现了抄表的自动化、智能化。若增加相应传感器，可用于集中抄读小区用户水表、燃气表等，具有广泛的应用前景。

[1] 胡占报. 基于ZigBee的远程自动抄表系统设计[D].天津:河北工业大学,2009.

[2] 腾菲, 王宁.基于GSM短信的自动抄表系统[J].黑龙江电力,2005,27(4)306-308.

[3] 郭攀锋.基于ZigBee协议的无线心电数据传输系统设计与研究[D].合肥: 安徽大学,2010.

[4] 黄利军. 基于ZigBee技术的远程抄表系统的设计与实现[D].长沙：湖南大学，2011.

[5] 陈莉, 陶正苏.环境监测无线传感器网络节点的设计[J]. 仪表技术与传感器,2008(10): 7-8,30

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[7] 毛艳峰,曾勉,崔文涛,等. 基于ZigBee和Internet技术的远程抄表系统的设计[J]. 微型机与应用, 2014,33(22):54-56.

[8] 国家电网.Q/GDW 1376.2-2013电力用户用电信息采集系统通信协议第2部分：集中器本地通信模块接口协议[S]. 2013-03-21.

[9] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T645-2007多功能电能表通信协议[S]. 2007-12-03.

The design of micro power wireless meter reading system based on ZigBee

Li Yongshang

(College of Communication and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210009, China)

Aiming at the existing problems of current meter reading system such as high cost, high power consumption, smaller network size and poor anti-interference ability, this paper presents a micro power wireless meter reading system based on ZigBee protocol. The system takes STM32F103 micro controller and CC1100E wireless RF chip as the core, and gives the modularization design of the hardware and software of wireless communication module in meter node and concentrator node . The test shows that the wireless meter reading system has the advantages of low power consumption, low cost, high reliability, flexibility and scalability .

ZigBee protocol;wireless meter reading system; STM32F103;CC1100E

TN92

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.026

2016-03-31)

李永尚(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向：无线移动通信。