摘要：  人工抄电表给工作人员带来麻烦，随着技术的发展，技术人员就设计另一种更方便的电表，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。

关键字：  ZigBee技术，  智能卡电表，  自动抄电表系统

引言

人工抄电表给工作人员带来麻烦，随着技术的发展，技术人员就设计另一种更方便的电表，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

蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前Zigbee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为Zigbee。

简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：

(1) 低功耗： 由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

(2) 成本低： ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元， 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

(3) 时延短： 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms， 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

(4) 网络容量大： 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳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， 而且网络组成灵活。

(5) 可靠： 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

(6) 安全： ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

应用可以灵活确定其安全属性。

2 CC2430芯片的简介

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。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，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：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。

3.2 系统功能介绍：

1. DCT采集功能：

(1) DCT电源部分：采用两节五号电池，一次更换可以维持半年至两年。

(2) DCT数据表存储器：这部分要有一定的空间存放数据，当数据量较少时，可以利用芯片的Flash存放，如果数据量较大，可以留个备用接口，可对容量进行扩展。

(3) DCT计时系统：

a.主要提供时钟进行等间隔取样和启动预设任务和程序。

b.可以通过遥控指令进行校正。

(4) DCT脉冲采集接口：与电能表相连的DCT应设一个缓冲界面，通过这个界面，可以切换到不同型号电能表，使可对多种电能表进行脉冲采集，转变为相应度数。

(5) 采集方式：可以定期采集，也可以在接到控制中心命令后进行随机采集，与电能表连接的 DCT可以随机采集脉冲。

(6) 外设接口：可以让相关人员直接用手提电脑连接控制器，进行检测和排除故障等功能。

2. 无线发送、接收功能：工作站每隔一段时间后定期实现对其范围内的采集点进行信息的传递和汇集。

(1)各个 DCT可看作节点，通过无线Zigbee逐次节点来传输信息;每个节点出现异常，都可以通过外设接口进行处理。

(2)发送：第一个节点指向第二个节点，当第二个节点状态无效时，第一个节点指向第三个节点，以此类推;即对同伴 ID寄存器的 ID呼叫，如果A没有回答，呼叫 B;B也没有回答，呼叫 C;如果没有回答，要把状态写到状态寄存器。

(3) 第一个节点呼叫第二个节点，发送呼叫信号判断第二个 DCT状态是否有效：

a.有效：发送呼叫第一个节点传输数据的应答信号。

b.无效：发送失败应答信号、并传输第二个节点状态和第三个节点 ID给第三节点。

(4) 接收应答信号：

a.传输数据的应答信号：向第二节点传输数据。

b.失败的应答信号：当超过预定时间没有收到应答，重发;重发超过 5次，就判定失败，存储第二个节点状态，向第三节点发送呼叫信号。

(5) 接收数据：

a.误差检测。

b.出错处理。

(6) 传输数据完毕，指示该 DCT清空。

3.节点功能：

(1) 采集以及存储：通过计时器以及脉冲输入计数器记录在单位时间内的数据足够的储存空间储存未上交的数据，数据发送并得到确认后，自动清空储存空间，继续记时。

(2) 节点数据的发送：为了不引起数据传输时的数据冲突，每个节点设置不同的固定的发送时间。

(3) 节点数据的接受：节点拥有接受工作站命令以及中转其他节点信息功能，设计拓扑网络以及转发表，规定具体数据接受，转发以及抛弃。遇到堵塞节点上交异常消息。

(4) 与工作站相连的收发节点能定时发送检测信号，观察各节点运行状况，并上交具体故障点。该节点与工作站以串口方式连接。

4. 网络传输功能：控制中心能对内部局域网的所有工作站汇集信息进行 TCP/IP传输、存储。

(1)各个工作站通过局域网网络传输数据至控制中心：

a. 建立 NFS(网络文件系统);

b. 建立主机(控制中心)、客户端(工作站)应用程序。

(2)控制中心建立数据库，存储所有工作站的信息。

5. 控制中心数据库查询功能：

(1) 查询管理：按 ID查询、出错状态查询，对数据源数据能进行动态预览。

(2) 统计功能：按照具体的条件进行统计，对统计结果能进行动态预览。

(3) 控制中心通过数据库可查询所有数据源的ID、状态和数值。

(4) 员工管理：员工信息添加、修改、删除、权限设置等。

(5) 权限管理：

a.最高权限：对数据库有全权控制，该权限无法通过网络进入，须在控制中心才能行使该职能。

b.一般权限：需验证登录，用户可通过浏览器进入控制中心浏览数据库相关记录，但不能修改。

6. 数据源状态监测：通过 4字节(32位)来实现数据点当前状态的定义。

4.结束语

本文介绍了一种基于 ZigBee技术的无线抄电表系统，该系统采用的ZigBee技术具有协议简单，成本低，传输可靠，数据安全性高，双向无线通信技术等优点。不过CC2430可能由于功率的限制，传输距离还有待提高。个人水平经验所限，还有许多可以进一步完善地方，特别是网络接口部分。

1、准确度等级：1.0级，基本误差、起动、潜动符合国标要求。

2、电流规格：2.5(10)A　5(20)A　10(40)A　20(80)A　30(120)A

3、电表常数：1600imp/kWh　800imp/kWh

4、功耗<1.0W

5、非接触式(射频)IC卡专利技术：采用世界上最先进的射频IC卡及基站技术，全密封、非接触，防潮、防水、防攻击、防窃电、抗磁、抗干扰性能好。

6、数据表决纠错技术：表内每个数据存放在五处，若万一数据出错，则另外几处可对其进行纠错，从而作到数据绝对可靠，万无一失。