无线网络在电能采集方面的应用

摘 要：本文阐述了无线远抄技术的特点，介绍了一种利用ZigBee技术来实现无线收发通信的无线抄表系统。

关键词：无线抄表系统

现阶段，电力计量部门的数据采集主要方式仍是人工手抄，需要线路员挨家挨户地每月抄一次，再将数据录入到微机内，才能制作出电费单用来催缴电费。这种方式存在着漏抄或错抄、人情电等弊端。在此背景下，现代化的自动抄表系统应运而生。目前已经研制出了集中抄表装置，且发展较为成熟。这种集中抄表装置，采集数据的方式大多为低压载波或有线集中采集。

但大客户、专变的远抄技术一直不成熟，这主要是由于无线负荷控制装置和无线公网的投资较大，后续维护和使用成本较高。

ZigBee技术相对而言是一种既经济高效有简单易实现的无线技术，同时又具备许多优越性，如快速组网、自动展开、无线路由、抗干扰性强等。各个节点都能够路由，经过存储器转存，可以与相邻节点构成链路。由于是工作频段是免费的2.4GHZ，不用考虑后续使用费。ZigBee的无线组网技术在对大客户、专变用户的远程抄表通道中开辟了新途径。

一、ZigBee技术介绍

1.1 ZigBee 技术产生背景。为了实现小型设备无线联网，只需要对目前使用的网络协议中的物理层和MAC 层协议重新制定，而其余协议均保持不变即可。但在高层应用和市场推广方面仍有大量的工作，这个工作就是由ZigBee 联盟完成的。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组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。

1.2 ZigBee 技术概述。ZigBee无线网络技术较易被小客户接受，它具有接线简单、传输距离短、损耗低、网速低、后续费用低等特点，恰到好处地满足专变客户的需求。ZigBee的无线物理层协议功能强大，节省用电、简单易实现、成本低廉是其最大特点。ZigBee网络协议还增加了网络安全层和网络逻辑层，保证了数据的正确传输。我们知道，通信距离是与接线的简易度、传输损耗的大小及最终成本呈正比的。在现有的无线通信技术中，要数ZigBee技术的功耗和花费最低了。ZigBee技术非常适合专变业务数据，主要是它的低速数据传输和通信覆盖面小的特点决定的。

ZigBee网络技术中，有3种网络拓扑结构，它们是星形（Star）、网状（Mesh）和树形分簇（Cluster Tree）。

ZigBee网络的组成成员有网络协调器、路由器等。协调器功能是建立整个网络，同时作为网络的通讯节点。

1.3 ZigBee 技术的优越性

（1）成本低：模块价格低廉，且ZigBee 协议是免专利费的；（2）可靠性：ZigBee网络物理层通信链接采用直序扩频、高处理增益、明晰的信道检测、对干扰能量进行检测、跳频技术来增加可靠性。ZigBee网络协议采用基于CRC的误码检测/校正、避免冲突的策略CSMA/CA、为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙、发送的数据包都有待于接受方的确认，如出现问题进行重发、保持数据包的及时传输等措施来增加可靠性。（3） 网络容量大：ZigBee 可以采用星形、网状、串状结构组网，而且可以通过任一节点连接组成更大的网络结构，从理论上讲，其可连接的节点多达65 000 个。一个ZigBee 网络可以最多容纳254 个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100 个ZigBee网络；（4）安全性：ZigBee的MAC层使用了一种被称为高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）的算法进行加密的，并且它基于AES算法生成一系列的安全机制，用来保证MAC层帧的机密性（Confidentiality）、一致性（Integrity）和真实性（Authenticity）。（5） 全球通用性和完好的开放性：由于ZigBee 标准协议，因此各ZigBee 设备间的通信问题将是轻而易举的事情。

二、采集终端的硬件设计

2.1主处理器。CPU主处理器选用Atmeag30，该模块负责定时采集多功能电能的特征量，然后将数据信号保存到铁电存储器中，由集中器通过ZigBee网络读取数据，然后通过互联网传送到后台服务，WEB网面。

2.2无线通信模块。无线收发模块采用CC2430芯片，此芯片是一款正版IEEE802.15.4标准ZigBee产品。该芯片在片上集成ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。其主要特点如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz的RF无线电收发机；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC（实时时钟）唤醒系统，在待机模式时少于0.6μA的流耗，外部的中断能唤醒系统；硬件支持CSMA/CA（具有检测冲击的载波侦听多路接人）功能；较宽的电压范围（2.O V～3.6 V）；数字化的RSSI（接收信号强度指示）/LQI（链路质量指示）支持和强大的DMA（直接存储器存取）功能；具有电池监测和温度感测功能；集成了14位ADC（A/D转换器）；集成AES（高级加密标准）安全协处理器；带有2个强大的支持几组协议的USART（通用异步同步收发器），以及1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC（媒体访问控制）层计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器；21个可编程的I/O引脚，P0、P1口是完全8位口，P2口只有5个可使用位，可以由软件设定一组SFR（专用寄存器）的位和字节，使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器、USART等部件的设备口使用。

2.3存储器。存储器采用铁电存储器FM24C256，掉电后数据能保存10年，系统时钟采用DSl2887，DSl2887是一个实时时钟的完整子系统，其集成度高，内部包含有1个锂电池、1个石英晶振和1个写保护电路。

2.4可靠性设计。为保证通讯的准确无误，延长硬件使用寿命，本采集器的硬件部分设计作了电源、抗干扰等设计。如用硬件看门狗，以防止单片机“死机”或“跑飞”；用高效率、低漏磁、低温升的R型变压器来防高温；用瞬变电压抑制二极管TVS来防雷击等。另外，本系统模块还设计有空余I/O口作为预留按键接口，可实现费用报警功能等。

三、采集终端的软件设计

本系统的软件设计思想是采用模块化编程，系统的总体功能由各子程序完成，主要子程序有电参数定时采集及数据保存、与上位机的数据通信部分。本设计考虑到终端的程序及时更新，设计终端自编程部分，维护人员可空中更新终端程序。

四、结论

采用ZigBee技术建立的无线远抄系统，具有组网简单、系统花费少、扩展网络容易、通讯稳定、无需支付网络费用等优点。目前，此设计终端已经投入市场，相信它会为电力部门的电能表管理网络化、抄表自动化提供一种可选择的有效方法。