基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)抄表系統設計

摘  要：本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)抄表系統的設計方案。該方案借助ZigBee技術(shù)在低速率無(wú)線(xiàn)通信方面的優(yōu)勢，利用Chipcon公司的射頻芯片CC2420，實(shí)現采集的電能數據的無(wú)線(xiàn)收發(fā)通信。
關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2420；ADE7753；電能計量

引言
與采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信的樓控產(chǎn)品相比，無(wú)線(xiàn)解決方案的優(yōu)勢在于安裝布置的靈活性、低廉的安裝費用和對樓宇自動(dòng)化系統進(jìn)行重新布置的可移動(dòng)性。ZigBee技術(shù)產(chǎn)品以其低功耗、低成本以及優(yōu)秀的組網(wǎng)能力，被廣泛認為將在未來(lái)幾年中對樓宇自動(dòng)化和工業(yè)產(chǎn)生重大的影響。本文研究的遠程抄表系統就基于ZigBee技術(shù)實(shí)現了無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表功能。
　　
系統硬件結構
無(wú)線(xiàn)抄表系統是由多個(gè)ZigBee節點(diǎn)所構成的網(wǎng)絡(luò )。ZigBee技術(shù)支持3種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，即星形(Star)、網(wǎng)狀(Mesh)和樹(shù)形分簇(Cluster Tree)。星型結構由一個(gè)協(xié)調器節點(diǎn)(主設備)和一個(gè)或多個(gè)終端設備(從設備)組成。協(xié)調器是一種特殊的全功能設備(Full Function Device，FFD)。FFD是具有轉發(fā)與路由能力的節點(diǎn)。終端設備可以是FFD或簡(jiǎn)化功能設備(Reduced Function Device，RFD)。RFD 是最小且最簡(jiǎn)單的ZigBee 節點(diǎn)，只發(fā)送與接收信號，并不起轉發(fā)器、路由器的作用。如果某個(gè)終端設備需要傳輸數據到另一個(gè)終端設備，它會(huì )把數據發(fā)送給協(xié)調器，然后由協(xié)調器依次將數據轉發(fā)到目標終端設備。
本文設計的ZigBee節點(diǎn)是星型結構中最簡(jiǎn)單的雙節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )，即由一個(gè)協(xié)調器節點(diǎn)和一個(gè)RFD節點(diǎn)組成。其中，ZigBee每個(gè)節點(diǎn)的硬件均由兩部分構成：電能測量與處理部分和無(wú)線(xiàn)接收/發(fā)送部分。而硬件具體實(shí)現的功能則由燒寫(xiě)入單片機的程序來(lái)決定。無(wú)線(xiàn)抄表系統的硬件結構如圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)抄表系統硬件結構框圖

電能測量與處理模塊的
工作原理
電能數據采集模塊的核心是美國ADI公司的一款高精度單相有功電能計量芯片ADE7753。該芯片集成了數字積分、參考電壓源和溫度傳感器。它提供了一個(gè)和有功能量成比例的脈沖輸出(CF)和數字系統校準誤差電路(通道偏置校準、相位校準及能量校準)。該芯片適用于單相電路中有功功率、無(wú)功功率和視在功率的測量。
ADE7753有電流和電壓兩個(gè)通道，共兩路模擬量輸入，分別是電流通道V1P、V1N和電壓通道V2P、V2N。電壓信號經(jīng)可編程放大器(PGA)放大和模數轉換器進(jìn)行A/D轉換變?yōu)閿底中盘?，然后，電流信號?jīng)電流通道內的高通濾波器HPF濾除DC分量并數字積分后，與經(jīng)相位校正后的電壓信號相乘，產(chǎn)生瞬時(shí)功率；此信號經(jīng)低通濾波LPF2產(chǎn)生瞬時(shí)有功功率信號。利用功率偏差校準寄存器的值對有功功率進(jìn)行校準，放入采樣波形數據寄存器中，然后對采樣波形數據寄存器的值進(jìn)行累加，將功率累加值(電能值)存放在電能寄存器中，經(jīng)DOUT引腳輸出。
電流和電壓采集電路把交流電變?yōu)榭晒〢DE7753輸入的電壓。在電流通道中，通過(guò)di/dt微分電流傳感器實(shí)現電流/電壓變換。di/dt微分電流傳感器基于Rogowski線(xiàn)圈原理。Rogowski線(xiàn)圈由環(huán)繞一根長(cháng)直導線(xiàn)排列、匝數為N的矩形空芯線(xiàn)圈組成。
無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的工作原理
無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊主要由CC2420芯片和2.4GHz射頻天線(xiàn)以及相應的阻抗匹配電路組成。芯片外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和單片機接口電路三個(gè)部分。本設計采用16MHz無(wú)源晶振，其負載電容值約為22pF。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來(lái)匹配芯片的射頻輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50Ω,同時(shí)為芯片內部的功率放大器和低噪聲放大器提供直流偏置。CC2420通過(guò)４線(xiàn)SPI口(SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式，并實(shí)現讀/寫(xiě)緩存數據和讀/寫(xiě)狀態(tài)寄存器。
從天線(xiàn)接收到的射頻信號首先經(jīng)過(guò)低噪聲放大器和正交下變頻到２MHz的中頻信號，此混合I/Q信號經(jīng)過(guò)濾波、放大，再通過(guò)ADC轉變成數字信號。后經(jīng)自動(dòng)增益控制、數字解調和解擴，最終恢復出傳輸的正確數據。發(fā)射機部分采用直接上變頻。待發(fā)送的數據先被送入128字節的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過(guò)硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。根據IEEE802.15.4標準，所要發(fā)送的數據流的每4個(gè)比特被32碼片的擴頻序列擴頻后送到DAC。然后,經(jīng)過(guò)低通濾波和上變頻的混頻后被調制到2.4GHz,并經(jīng)放大后送到天線(xiàn)發(fā)射出去。

系統軟件設計
Microchip的ZigBee協(xié)議棧
完整的ZigBee協(xié)議棧自上而下由應用層、應用匯聚層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層和物理層組成。本硬件設計選擇的是Microchip公司的PIC18系列單片機,因此在軟件設計中應用了Microchip公司提供的ZigBee協(xié)議棧。它隨著(zhù)ZigBee無(wú)線(xiàn)協(xié)議規范的發(fā)展而不斷更新。該協(xié)議棧有如下特點(diǎn)：使用支持2.4 GHz 頻帶的Chipcon CC2420 RF 收發(fā)器；支持簡(jiǎn)化功能設備和協(xié)調器；在協(xié)調器節點(diǎn)中實(shí)現對鄰接表和綁定表的非易失性存儲；支持非時(shí)隙的星型網(wǎng)絡(luò )；可以在大多數PIC18系列單片機之間進(jìn)行移植；支持Microchip MPLAB C18和Hi-TechPICC-18C編譯器；易于添加或刪除特定模塊的模塊化設計。
RFD節點(diǎn)軟件設計流程
這里以RFD節點(diǎn)為例，闡述RFD節點(diǎn)加入由協(xié)調器節點(diǎn)組建的網(wǎng)絡(luò )的設計思想及程序流程。圖2是RFD節點(diǎn)主應用程序設計的流程框圖。其主要功能是實(shí)現硬件的初始化，并根據用戶(hù)指令進(jìn)入配置模式來(lái)完成綁定操作。綁定的目的是讓RFD的地址信息出現在協(xié)調器的綁定表中，從而使RFD節點(diǎn)與協(xié)調器關(guān)聯(lián)起來(lái)。對于第一次完成燒寫(xiě)程序的節點(diǎn)，必須接入計算機終端，按照流程進(jìn)行配置和綁定操作；對于已經(jīng)完成綁定操作的節點(diǎn)，在進(jìn)行下一次操作時(shí)，可以無(wú)需計算機而進(jìn)行脫機操作。

圖2  RFD節點(diǎn)主應用程序設計流程框圖

一個(gè)RFD節點(diǎn)從自身配置、綁定完成到加入由協(xié)調器組建的網(wǎng)絡(luò )，然后進(jìn)入正常工作模式，要經(jīng)歷不同的狀態(tài)。根據ZigBee協(xié)議棧的要求，在主應用程序中定義了6種工作狀態(tài)。初始化狀態(tài)(SM_APP_INIT)，即節點(diǎn)進(jìn)行任何操作前的最初狀態(tài)；配置狀態(tài)(SM_APP_CONFIG_START)，即讓節點(diǎn)進(jìn)入配置模式的狀態(tài)，主要通過(guò)調用配置函數引導用戶(hù)完成配置操作；正常啟動(dòng)狀態(tài)(SM_APP_NORMAL_START)，當已經(jīng)配置過(guò)的節點(diǎn)再次使用時(shí)，無(wú)須再次進(jìn)行節點(diǎn)配置，則直接進(jìn)入正常啟動(dòng)狀態(tài)，并嘗試加入一個(gè)由協(xié)調器節點(diǎn)組建的網(wǎng)絡(luò )；正常啟動(dòng)等待狀態(tài)(SM_APP_NORMAL_START_WAIT)，RFD節點(diǎn)在嘗試加入網(wǎng)絡(luò )的過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)新網(wǎng)絡(luò )初始化、網(wǎng)絡(luò )初始化是否完成、網(wǎng)絡(luò )初始化是否成功等問(wèn)答和回應過(guò)程；正常工作狀態(tài)(SM_APP_NORMAL_RUN)下，節點(diǎn)能夠最終進(jìn)入正常工作狀態(tài)才能完成節點(diǎn)的綁定操作；休眠狀態(tài)(SM_APP_SLEEP)下，ZigBee節點(diǎn)節能的關(guān)鍵就是能夠實(shí)現在休眠狀態(tài)和正常工作狀態(tài)間的切換，當工作任務(wù)完成后能夠自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，而當受到觸發(fā)后能夠自動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

結語(yǔ)
基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)抄表系統不僅能節約人力成本，還可提高抄表的準確性、實(shí)時(shí)性，使管理部門(mén)能及時(shí)準確地獲得數據信息?！?BR>    
參考文獻：
1 白劍波等. ZigBee技術(shù)及其在樓宇自動(dòng)化系統中應用的思考[J].智能建筑與城市信息,2006(1):102-104
2 劉和平等.PIC18Fxxx單片機程序設計及應用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005