發布日期：2022-05-20 點擊率：47
系統硬件結構
無線抄表系統是由多個ZigBee節點所構成的網絡。ZigBee技術支持3種網絡拓撲結構，即星形(Star)、網狀(Mesh)和樹形分簇(Cluster Tree)。星型結構由一個協調器節點(主設備)和一個或多個終端設備(從設備)組成。協調器是一種特殊的全功能設備(Full Function Device，FFD)。FFD是具有轉發與路由能力的節點。終端設備可以是FFD或簡化功能設備(Reduced Function Device，RFD)。RFD 是最小且最簡單的ZigBee 節點，只發送與接收信號，并不起轉發器、路由器的作用。如果某個終端設備需要傳輸數據到另一個終端設備，它會把數據發送給協調器，然后由協調器依次將數據轉發到目標終端設備。
與采用有線網絡通信的樓控產品相比，無線解決方案的優勢在于安裝布置的靈活性、低廉的安裝費用和對樓宇自動化系統進行重新布置的可移動性。ZigBee技術產品以其低功耗、低成本以及優秀的組網能力，被廣泛認為將在未來幾年中對樓宇自動化和工業產生重大的影響。本文研究的遠程抄表系統就基于ZigBee技術實現了無線自動抄表功能。
本文設計的ZigBee節點是星型結構中最簡單的雙節點網絡，即由一個協調器節點和一個RFD節點組成。其中，ZigBee每個節點的硬件均由兩部分構成：電能測量與處理部分和無線接收/發送部分。而硬件具體實現的功能則由燒寫入單片機的程序來決定。無線抄表系統的硬件結構如圖1所示。
圖1 無線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、無功功率和視在功率的測量。
ADE7753有電流和電壓兩個通道，共兩路模擬量輸入，分別是電流通道V1P、V1N和電壓通道V2P、V2N。電壓信號經可編程放大器(PGA)放大和模數轉換器進行A/D轉換變為數字信號，然后，電流信號經電流通道內的高通濾波器HPF濾除DC分量并數字積分后，與經相位校正后的電壓信號相乘，產生瞬時功率；此信號經低通濾波LPF2產生瞬時有功功率信號。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行累加，將功率累加值(電能值)存放在電能寄存器中，經DOUT引腳輸出。
電流和電壓采集電路把交流電變為可供ADE7753輸入的電壓。在電流通道中，通過di/dt微分電流傳感器實現電流/電壓變換。di/dt微分電流傳感器基于Rogowski線圈原理。Rogowski線圈由環繞一根長直導線排列、匝數為N的矩形空芯線圈組成。
無線收發模塊的工作原理
無線收發模塊主要由CC2420芯片和2.4GHz射頻天線以及相應的阻抗匹配電路組成。芯片外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和單片機接口電路三個部分。本設計采用16MHz無源晶振，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４線SPI口(SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式，并實現讀/寫緩存數據和讀/寫狀態寄存器。
從天線接收到的射頻信號首先經過低噪聲放大器和正交下變頻到２MHz的中頻信號，此混合I/Q信號經過濾波、放大，再通過ADC轉變成數字信號。后經自動增益控制、數字解調和解擴，最終恢復出傳輸的正確數據。發射機部分采用直接上變頻。待發送的數據先被送入128字節的發送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動產生的。根據IEEE802.15.4標準，所要發送的數據流的每4個比特被32碼片的擴頻序列擴頻后送到DAC。然后,經過低通濾波和上變頻的混頻后被調制到2.4GHz,并經放大后送到天線發射出去。
系統軟件設計
Microchip的ZigBee協議棧
完整的ZigBee協議棧自上而下由應用層、應用匯聚層、網絡層、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協議棧。它隨著ZigBee無線協議規范的發展而不斷更新。該協議棧有如下特點：使用支持2.4 GHz 頻帶的Chipcon CC2420 RF 收發器；支持簡化功能設備和協調器；在協調器節點中實現對鄰接表和綁定表的非易失性存儲；支持非時隙的星型網絡；可以在大多數PIC18系列單片機之間進行移植；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節點軟件設計流程
這里以RFD節點為例，闡述RFD節點加入由協調器節點組建的網絡的設計思想及程序流程。圖2是RFD節點主應用程序設計的流程框圖。其主要功能是實現硬件的初始化，并根據用戶指令進入配置模式來完成綁定操作。綁定的目的是讓RFD的地址信息出現在協調器的綁定表中，從而使RFD節點與協調器關聯起來。對于第一次完成燒寫程序的節點，必須接入計算機終端，按照流程進行配置和綁定操作；對于已經完成綁定操作的節點，在進行下一次操作時，可以無需計算機而進行脫機操作。
圖2 RFD節點主應用程序設計流程框圖
一個RFD節點從自身配置、綁定完成到加入由協調器組建的網絡，然后進入正常工作模式，要經歷不同的狀態。根據ZigBee協議棧的要求，在主應用程序中定義了6種工作狀態。
初始化狀態(SM_APP_INIT)，即節點進行任何操作前的最初狀態；配置狀態(SM_APP_CONFIG_START)，即讓節點進入配置模式的狀態，主要通過調用配置函數引導用戶完成配置操作；
正常啟動狀態(SM_APP_NORMAL_START)，當已經配置過的節點再次使用時，無須再次進行節點配置，則直接進入正常啟動狀態，并嘗試加入一個由協調器節點組建的網絡；
正常啟動等待狀態(SM_APP_NORMAL_START_WAIT)，RFD節點在嘗試加入網絡的過程中，要經過新網絡初始化、網絡初始化是否完成、網絡初始化是否成功等問答和回應過程；
正常工作狀態(SM_APP_NORMAL_RUN)下，節點能夠最終進入正常工作狀態才能完成節點的綁定操作；休眠狀態(SM_APP_SLEEP)下，ZigBee節點節能的關鍵就是能夠實現在休眠狀態和正常工作狀態間的切換，當工作任務完成后能夠自動進入休眠狀態，而當受到觸發后能夠自動進入正常工作狀態。
結語
基于ZigBee技術的無線抄表系統不僅能節約人力成本，還可提高抄表的準確性、實時性，使管理部門能及時準確地獲得數據信息。
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