基于ZigBee技术的无线抄电表系统设计 (1)

引言

　　人工抄电表对于一般用户而言是可行的，然而相对于供电部门有很多不足，需要进更深层次的分析和管理也是不够。现实的需求催生着抄电表系统技术和应用不断产生。目前智能卡电表和有线自动抄电表系统都存在一定的不足和成本高的问题。随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的ZigBee技术。系统最佳的方案应当是前期投入的成本低，运行成本非常低甚至没有。由此本文提出一种基于 ZigBee技术抄电表方案。

1 ZigBee 技术特点[2]

　　(1)低功耗：ZigBee技术采用了低功耗的工作模式，通常两节五号电池可以使用长达6个月到2年。

　　(2)可靠性高：ZigBee采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，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；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

　　(3)节点通信设置易于配置。

　　(4)成本低：ZigBee模块价格较低，且ZigBee协议是免专利费的；ZigBee的工作频段灵活，为免执照频段的2.4GHz，就是没有使用费的无线通信。

　　(5)网络容量大：ZigBee可以采用星型、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，可以连接的节点多达6500个。一个ZigBee网络可以容纳 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。

　　(6)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 CC2430芯片的简介[2]

　　2.1 CC2430芯片的主要特征：

　　(1) 高性能和低功耗的 8051微控制器核。

　　(2) 集成符合 IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机。

　　(3) 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。

　　(4) 在休眠模式时仅 0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统 ;在待机模式时少于0.6μ A的流耗，外部的中断能唤醒系统。

　　(5) 硬件支持 CSMA/CA功能。

　　(6) 较宽的电压范围（ 2.0～3.6 V）。

　　(7) 数字化的 RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。

　　(8) 具有电池监测和温度感测功能。

　　(9) 集成了 14位模数转换的 ADC。

　　(10) 集成 AES安全协处理器。

　　(11) 带有 2个强大的支持几组协议的USART，以及 1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和 2个8位计时器。

　　(12) 强大和灵活的开发工具。

 2.2 CC2430引脚介绍

　　图 1为 CC2430的顶视图。其中外露的芯片安装衬垫必须连接到 PCB的接地层，芯片通过该处接地。CC2430具有CC2420RF接收器以及增强性能的 8051MCU、8KBRAM等，其增强的 8051MCU核的性能是工业标准 8051核性能的 8倍。CC2430还具备直接存储器定址（DMA）功能（它能够被用于减轻8051微控制器内核对数据搬移，因此提高了芯片整体的性能）、可编程看门狗定时器、 AES-128安全协处理器、多达 8输入的 8-14位ADC、USART、睡眠模式定时、上电复位、掉电检测电路(Brown Out Detection)、21个可编程I/O管脚等，两个可编程的 USART用于主 /从 SPI或 UART操作。带外部功放的 CC2430参考设计可提供+10dBm的输出功率。 CC2430片上系统(SoC)由 CC2430加上 Motorola的基于 IEEE802.15.4标准的无线电定位引擎组成。CC2430芯片采用 7 mm×7mm QLP封装，共有 48个引脚(如图1所示)。全部引脚可分为 I/O 端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。

3 基于ZigBee技术的无线抄电表系统

　　3.1设计的总体方案基于 ZigBee技术的无线抄电表系统如图 2所示。

　　各部分的主要功能如下：

　　（1）数据库和控制中心 : 具有建立、管理整个网络的功能，对网络进行监控；可设置定期和随机向 DCT发送数据采集命令，接受数据，并存储数据；对数据库进行管理。

　　（2） 工作站: 起数据上传下送的中继作用，负责启动、配置、协调整个Zigbee无线网络，可将控制中心发出的命令发给DCT，接受DCT返回的数据并通过网线并采用TCP/IP协议，把收集到的数据送至控制中心，具有存储转发的功能；每个工作站可以暂存下属 DCT的数据；可以查看用电记录、 DCT和电表状态等数据。

　　（3） DCT（data collection and transmission unit）:脉冲采集和无线传输部分，具有脉冲采集、存储、接受指令和发送数据的功能，接受工作站发送的指令并按指令去完成的动作。