基于ZigBee的多用戶(hù)智能電表設計
隨著(zhù)公元2000年“后PC”時(shí)代的來(lái)臨，電表的發(fā)展由“機電一體化”時(shí)代進(jìn)入“智能”時(shí)代，其標志是電表從單純被動(dòng)抄表到電能數據自動(dòng)遠程傳送以及附屬功能的多樣化（例如復費率、自動(dòng)斷電等）。正在興起的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是電表發(fā)展的最新前進(jìn)方向；從根本上講，自動(dòng)抄表系統是一種監控內容少，實(shí)時(shí)性要求弱的監控系統，而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)所具有的無(wú)線(xiàn)傳輸，免費傳輸頻段，傳輸數據量小，傳輸速率慢，節點(diǎn)數量多，組網(wǎng)方式靈活，構建成本低廉的特點(diǎn)正是自動(dòng)抄表系統所追求的目標，電表作為自動(dòng)抄表系統的硬件基礎與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )相結合符合技術(shù)發(fā)展的要求。
ZigBee無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)作為當前應用最為廣泛的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的代表在自動(dòng)抄表產(chǎn)品中已經(jīng)有初步的應用，但是多以抄表器上傳通訊手段的方式在自動(dòng)抄表中應用，隨著(zhù)微電子技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，抄表器的功能完全可以由智能電能表兼容，因此自動(dòng)抄表系統中的抄表器及其下層附屬的各個(gè)電表完全可以由一個(gè)采用ZigBee通訊方式的多用戶(hù)智能電表替代，文中設計的智能電表即采用這種技術(shù)方案。
1設計方案
文中的設計針對對象是小區用戶(hù)，在小區內每一座住宅樓的各個(gè)單元中安裝一塊智能電表，標準設計中，一塊電表可實(shí)現一個(gè)單元最多16戶(hù)的電能自動(dòng)測量和自動(dòng)斷電等附屬功能（可通過(guò)增加數據選擇器的數目實(shí)現一個(gè)單元更多的用戶(hù)點(diǎn)數目）。系統結構框圖如圖1所示，從系統功能結構上電表可分為控制單元，測量與執行單元，通訊單元三部分。具體功能分析如下：
1.1控制單元
電表的控制單元由基于MSP430F133的控制器模塊組成，控制器模塊按照預先設定的控制程序通過(guò)對數據選擇器的相應操作逐次接受對應電能計量模塊傳送的脈沖信號，按照文中設計的計量方式，經(jīng)內部計算處理后，得出其在循環(huán)周期內的電量數據，實(shí)時(shí)累加存儲并定時(shí)以ZigBee通訊方式上傳，同時(shí)控制執行器模塊/通訊模塊實(shí)現對實(shí)時(shí)/定時(shí)的欠費斷電/實(shí)時(shí)抄送命令的執行。而且控制器單元作為智能電表的大腦也負責了整個(gè)電表系統日常工作的運行與維護。
1.2測量與執行單元
電表的測量單元由16個(gè)電表計量模塊與一個(gè)16選1數據選擇器組成，每一塊計量模塊由ADE7755電能計量芯片及其附屬電路構成，實(shí)現一個(gè)家庭用戶(hù)的電能自動(dòng)測量，符合當前“一戶(hù)一表”的要求，ADE7755可以實(shí)現用電量的自動(dòng)測量，將當前用電量以脈沖信號的形式經(jīng)過(guò)數據選擇器輸送到控制器，而16選1數據選擇器可通過(guò)設定的程序逐次將各個(gè)計量模塊的脈沖信號輸送到控制器，針對家庭居民用戶(hù)，用電功率小且功率曲線(xiàn)平緩不易突變的特點(diǎn)，采用在一循環(huán)時(shí)間周期內用其中某一時(shí)間段的平均功率代替整個(gè)時(shí)間范圍平均功率的計量方式。文中選取32s作為循環(huán)周期，具體地講，在32s的循環(huán)周期內，每2s逐次接通一個(gè)數據測量通道，控制器記錄下相應電能計量模塊在2s時(shí)間內的積累脈沖數。
采用此種計量方式不僅可以保證測量精度，而且大大節省了控制器芯片的端口資源從而有效降低系統成本。數據選擇器采用控制器對其4個(gè)控制引腳的不同職位實(shí)現16個(gè)數據上傳通道的逐次接通。電表的執行單元由一個(gè)4線(xiàn)—16線(xiàn)數據輸出控制器和16個(gè)SSR構成，一旦單片機收到上端集中器下傳來(lái)的欠費或者其他原因引起的斷電信號就立即通過(guò)對4線(xiàn)—16線(xiàn)數據輸出控制器的G0,G1,A,B,C,D 6個(gè)引腳的不同置位控制相應用戶(hù)所屬的固態(tài)繼電器切斷其電源供應。
1.3通訊單元
電表與上層集中器的通訊方式采用ZigBee通訊方式。從過(guò)程上講，采用CC2420芯片通過(guò)ZigBee局域網(wǎng)絡(luò )將16戶(hù)的當前用電量以被動(dòng)查詢(xún)或定時(shí)上傳的形式發(fā)送到數據集中器�；蛘邔⑸蠈訑祿衅鞯牟樵�(xún)命令與欠費自動(dòng)斷電命令下載到控制器單元。從數據傳輸結構上講，一定數目的多用戶(hù)智能電表和一個(gè)集中器構成中心結構的ZigBee局域網(wǎng)絡(luò )。
2硬件設計
2.1控制器單元原理圖電路構建
控制單元以MSP430F133單片機作為核心控制芯片，MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Processor)。稱(chēng)之為混合信號處理器，主要是由于其針對實(shí)際應用需求，把許多模擬電路、數字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。
MSP430F133單片機在32s的循環(huán)周期內通過(guò)控制數據選擇器的4位選擇引腳，每2s逐次接通一個(gè)通道將從對應電能計量模塊上傳來(lái)的累加脈沖信號累加到對應的累加器單元中，在每10min將積累的計量脈沖計算轉化為相應的用電量數據附加上當前的時(shí)間常數存儲到對應的存儲器單元中。在每1h末按照預先的程序定時(shí)上傳存儲數據或者隨時(shí)執行下傳的抄送命令立即將積累的脈沖計算轉化為用電數據附加上此刻的時(shí)間常數，和前1h末到此刻積累的存儲數據一起發(fā)送到上層的集中器。發(fā)送的方式是通過(guò)ZigBee通訊模塊發(fā)送到小區內的數據集中器上端。同時(shí)可隨時(shí)將上端傳送來(lái)的欠費或其他原因造成的斷電指令發(fā)送到執行模塊，實(shí)現自動(dòng)斷電功能�？刂破骶唧w硬件構建如下：
系統供電采用LM7805整流后的+3.3V直流電源，以+4.5V電池組作為后備電源；系統采用4×4矩陣鍵盤(pán)進(jìn)行參數設置；外擴了FM24C16以增加系統數據儲能力；用戶(hù)的用電量顯示可精確到最新10m內的用電量，采用6只共陰極LED數碼管構成的動(dòng)態(tài)掃描顯示電路第一位采用16進(jìn)制數字表示16個(gè)用戶(hù)，其后的5位數字顯示相應用戶(hù)的當前用電量，精度可以精確到小數點(diǎn)后2位數。也可以將其用電量數據經(jīng)單片機處理后直接循環(huán)逐次顯示當前用電費用，采用不同時(shí)刻不同費率的計算處理手段同時(shí)可以實(shí)現計費復費率功能。其具體硬件原理連接電路圖如圖2所示。
2.2測量及其執行單元原理圖電路構建
測量單元中數字式電能計量芯片采用ADE7755，16選1數據選擇器采用74LS150。執行單元中4線(xiàn)—16線(xiàn)數據輸出控制器采用74HC154，SSR采用MOC3061+IGBT。
ADE7755是美國著(zhù)名的ADI公司設計生產(chǎn)的一種脈沖輸出的電能計量集成芯片，在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準確度和長(cháng)期穩定性。它內部集成了包含相位校正、乘法器、數字一頻率轉換器、信號處理電路組成的電能計量運算的核心電路，并能將電量以與瞬時(shí)功率成正比的脈沖輸出形式提供給MCU,單片機只需通過(guò)計數器自動(dòng)記錄一定時(shí)間間隔內傳送的脈沖數，然后與功率/頻率轉換參數相乘即可得出這一時(shí)間段內的用電量。單片機在不同時(shí)間采用不同的費率/功率參數即可方便的實(shí)現復功率計費。
ADE7755中SCF=0，S1=S0=1。CF輸出選擇最高頻輸出模式，儀表脈沖/功率輸出常數為204800imp/kWhr,戶(hù)用電最大電流值為20A,則PMAX=2.2kW,CFMAX=125Hz,系統設計要求CFMIN=0.5Hz,則PMIN=8.8W。即文中的多用戶(hù)智能電表能夠測量的最低功率為8.8W。
MSP430F133通過(guò)對74LS150的A、B、C、D 4個(gè)引腳的不同置位實(shí)現E0-E15共16條通道的依次接通。而ADE7755將當前用電功率以脈沖頻率的形式輸送到MSP430F133,實(shí)現自動(dòng)抄表；一旦上位集中器發(fā)送斷電命令，單片機通過(guò)4線(xiàn)—16線(xiàn)數據輸出控制器74HC154的置位控制相應的SSR固態(tài)繼電器實(shí)現斷電，原理是通過(guò)光電耦合器MOC3061驅動(dòng)IGBT的關(guān)斷。其具體硬件原理連接電路圖如圖3所示。
2.3通訊單元原理圖電路構建
CC2420只需要極少的外圍元器件，它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。其硬件原理連接電路圖如圖4所示。
CC2420內部使用1.8V工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設備;外部數字I/O接口使用3.3V電壓，這樣對于只有3.3V電源的設備，不需要額外的電壓轉換電路就能正常工作。CC2420射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負載是115+j180，阻抗匹配電路應該根據這個(gè)數值進(jìn)行調整。如果使用單端天線(xiàn)則需要使用平衡/非平衡轉換電路，以達到最佳收發(fā)效果。CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SDF、FIFO、FIFOP、和CCA四個(gè)引腳表示收發(fā)數據的狀態(tài);而處理器通過(guò)SPI接口與CC242O交換數據、發(fā)送命令等;CC2420通過(guò)4線(xiàn)SPI總線(xiàn)(SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式并實(shí)現讀／寫(xiě)緩存數據、讀／寫(xiě)狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射／接收緩存器。
3軟件設計
電表系統的軟件設計包括主程序設計和通訊程序設計，在此只講主程序的設計，其流程圖如圖5所示。
系統進(jìn)程首先進(jìn)行初始化，成功后的進(jìn)程分為并列的兩部分。其一是各戶(hù)用電量的上抄：?jiǎn)纹瑱C內輪抄計數器置01，MSP430F133對74LS150的ABCD四個(gè)控制端置0000位，此時(shí)引腳EA0對應的通道接通到MSP430F133的輸入端，單片機統計其在32s內積累的脈沖數。2s后，輪抄計數器加1為02，ABCD置1000位，EA1對應通道接通，進(jìn)行相應用戶(hù)的計數積累脈沖的上抄，以此循環(huán)進(jìn)行相應用戶(hù)的抄送，當輪抄計數器的數目=16時(shí)，完成總共16戶(hù)的上抄，將輪抄計數器的置01，進(jìn)行下一輪循環(huán)的上抄�？傮w上講，整個(gè)電表系統32s為一個(gè)循環(huán)，對用戶(hù)用電量進(jìn)行循環(huán)抄送，每10m將各用戶(hù)累加器單元統計的累積脈沖計算轉換為電量數據(用電量=脈沖數×16×儀表脈沖/功率輸出常數，因統計脈沖數是真實(shí)值的1/16)并附屬時(shí)間常數存儲到對應的存儲器單元，并且實(shí)時(shí)顯示最新10m內的用電量/用電費用，每1h末進(jìn)行用電數據（用電量和對應的時(shí)間常數）的定時(shí)傳送，其二是電表數據的上傳和斷電的執行：?jiǎn)?dòng)CC2420連入ZigBee局域網(wǎng)，成功后等待上層集中器命令，一旦網(wǎng)絡(luò )斷開(kāi)立即重啟CC2420重新連入局域網(wǎng)絡(luò )；上層集中器下載的命令分為數據上傳和欠費斷電兩種，若是斷電命令，MSP430F133控制相應用戶(hù)的SSR斷開(kāi)電源連接，成功后自動(dòng)轉為待命狀態(tài)，若不成功，重復進(jìn)行斷電操作直至操作成功。若是上傳命令，MSP430F133立即將累加器內積累脈沖轉化為電量數據附上時(shí)間常數存儲到對應的存儲器單元，然后將前1h末到此刻RAM內的存儲數據通過(guò)CC2420以ZigBee通訊的方式上傳到上位集中器。成功后自動(dòng)轉入待命狀態(tài)。
4結束語(yǔ)
采用了ZigBee通訊技術(shù)的多用戶(hù)智能電表是遠程自動(dòng)抄表系統的硬件基礎和構成元素，一定數目的表和同樣采用基于CC2420的ZigBee通訊技術(shù)的集中器構成了中心結構的ZigBee局域通訊網(wǎng)絡(luò )，每一塊表與中心節點(diǎn)集中器數據交換，集中器將匯集的抄表數據上傳到遠程控制中心實(shí)現遠程自動(dòng)抄表。在實(shí)驗室環(huán)境下利用MSPRF-430F2618-PK專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)系統（部分模塊進(jìn)行了更換）進(jìn)行驗證試驗，證明多用戶(hù)智能電表運行正常，與集中器通訊暢通，但也存在通訊距離不夠遠（小于50m），易受外界電磁環(huán)境干擾的缺陷�？煽紤]采用最新的CC2591(加強了天線(xiàn)功率，其理論通訊距離可達到1000m)替換CC2420的方式提高通訊效率。
從總體上看，文中的多用戶(hù)智能電表兼容了抄表器功能，在“一戶(hù)一表”的前提下簡(jiǎn)化了抄表系統結構，節省了系統成本。與當前使用有線(xiàn)通訊技術(shù)（如電力載波/總線(xiàn)通訊等）的智能電表相比，基于ZigBee的多用戶(hù)智能電表實(shí)現短距離范圍內無(wú)線(xiàn)抄表不僅避免了有線(xiàn)抄表布線(xiàn)施工的難題，而且在遠程抄表系統中具備無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的功能，即其在抄表通訊網(wǎng)絡(luò )中的投入和退出只需遠程控制而不需要進(jìn)行任何的硬件修改，從而極大地降低了安裝運行之后的日常維護工作的勞動(dòng)強度。而與同樣是無(wú)線(xiàn)抄表的GSM技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)基于免費的2.4GHz頻道，不需為此付出昂貴的通訊頻道租借費用�？傊�，低成本的ZigBee通訊技術(shù)與電表相結合，不但符合當前市場(chǎng)對智能電表的功能要求，而且符合未來(lái)“智能家居”發(fā)展的要求。自動(dòng)抄表是“智能家居”三表集抄系統的一個(gè)功能單元，ZigBee通訊技術(shù)作為“智能家居”中最有前途的通訊手段與前者的結合不僅是經(jīng)濟效益最高的，也代表了以后電表的發(fā)展方向。
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