基于ZigBee技术的无线抄表系统设计

摘  要：本文提出了一种基于ZigBee技术的无线抄表系统的设计方案。该方案借助ZigBee技术在低速率无线通信方面的优势，利用Chipcon公司的射频芯片CC2420，实现采集的电能数据的无线收发通信。
关键词：ZigBee；CC2420；ADE7753；电能计量

引言
    与采用有线网络通信的楼控产品相比，无线解决方案的优势在于安装布置的灵活性、低廉的安装费用和对楼宇自动化系统进行重新布置的可移动性。ZigBee技术产品以其低功耗、低成本以及优秀的组网能力，被广泛认为将在未来几年中对楼宇自动化和工业产生重大的影响。本文研究的远程抄表系统就基于ZigBee技术实现了无线自动抄表功能。
　　
系统硬件结构
    无线抄表系统是由多个ZigBee节点所构成的网络。ZigBee技术支持3种网络拓扑结构，即星形(Star)、网状(Mesh)和树形分簇(Cluster Tree)。星型结构由一个协调器节点(主设备)和一个或多个终端设备(从设备)组成。协调器是一种特殊的全功能设备(Full Function Device，FFD)。FFD是具有转发与路由能力的节点。终端设备可以是FFD或简化功能设备(Reduced Function Device，RFD)。RFD 是最小且最简单的ZigBee 节点，只发送与接收信号，并不起转发器、路由器的作用。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备，它会把数据发送给协调器，然后由协调器依次将数据转发到目标终端设备。

    本文设计的ZigBee节点是星型结构中最简单的双节点网络，即由一个协调器节点和一个RFD节点组成。其中，ZigBee每个节点的硬件均由两部分构成：电能测量与处理部分和无线接收/发送部分。而硬件具体实现的功能则由烧写入单片机的程序来决定。无线抄表系统的硬件结构如图1所示。

图1 无线抄表系统硬件结构框图

电能测量与处理模块的工作原理
    电能数据采集模块的核心是美国ADI公司的一款高精度单相有功电能计量芯片ADE7753。该芯片集成了数字积分、参考电压源和温度传感器。它提供了一个和有功能量成比例的脉冲输出(CF)和数字系统校准误差电路(通道偏置校准、相位校准及能量校准)。该芯片适用于单相电路中有功功率、无功功率和视在功率的测量。
ADE7753有电流和电压两个通道，共两路模拟量输入，分别是电流通道V1P、V1N和电压通道V2P、V2N。电压信号经可编程放大器(PGA)放大和模数转换器进行A/D转换变为数字信号，然后，电流信号经电流通道内的高通滤波器HPF滤除DC分量并数字积分后，与经相位校正后的电压信号相乘，产生瞬时功率；此信号经低通滤波LPF2产生瞬时有功功率信号。利用功率偏差校准寄存器的值对有功功率进行校准，放入采样波形数据寄存器中，然后对采样波形数据寄存器的值进行累加，将功率累加值(电能值)存放在电能寄存器中，经DOUT引脚输出。

    电流和电压采集电路把交流电变为可供ADE7753输入的电压。在电流通道中，通过di/dt微分电流传感器实现电流/电压变换。di/dt微分电流传感器基于Rogowski线圈原理。Rogowski线圈由环绕一根长直导线排列、匝数为N的矩形空芯线圈组成。

无线收发模块的工作原理
    无线收发模块主要由CC2420芯片和2.4GHz射频天线以及相应的阻抗匹配电路组成。芯片外围电路包括晶振时钟电路、射频输入／输出匹配电路和单片机接口电路三个部分。本设计采用16MHz无源晶振，其负载电容值约为22pF。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的射频输入/输出阻抗，使其输入/输出阻抗为50Ω,同时为芯片内部的功率放大器和低噪声放大器提供直流偏置。CC2420通过４线SPI口(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式，并实现读/写缓存数据和读/写状态寄存器。
从天线接收到的射频信号首先经过低噪声放大器和正交下变频到２MHz的中频信号，此混合I/Q信号经过滤波、放大，再通过ADC转变成数字信号。后经自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据。发射机部分采用直接上变频。待发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据IEEE802.15.4标准，所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DAC。然后,经过低通滤波和上变频的混频后被调制到2.4GHz,并经放大后送到天线发射出去。

系统软件设计
Microchip的ZigBee协议栈
    完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。本硬件设计选择的是Microchip公司的PIC18系列单片机,因此在软件设计中应用了Microchip公司提供的ZigBee协议栈。它随着ZigBee无线协议规范的发展而不断更新。该协议栈有如下特点：使用支持2.4 GHz 频带的Chipcon CC2420 RF 收发器；支持简化功能设备和协调器；在协调器节点中实现对邻接表和绑定表的非易失性存储；支持非时隙的星型网络；可以在大多数PIC18系列单片机之间进行移植；支持Microchip MPLAB C18和Hi-TechPICC-18C编译器；易于添加或删除特定模块的模块化设计。

RFD节点软件设计流程
    这里以RFD节点为例，阐述RFD节点加入由协调器节点组建的网络的设计思想及程序流程。图2是RFD节点主应用程序设计的流程框图。其主要功能是实现硬件的初始化，并根据用户指令进入配置模式来完成绑定操作。绑定的目的是让RFD的地址信息出现在协调器的绑定表中，从而使RFD节点与协调器关联起来。对于第一次完成烧写程序的节点，必须接入计算机终端，按照流程进行配置和绑定操作；对于已经完成绑定操作的节点，在进行下一次操作时，可以无需计算机而进行脱机操作。

图2  RFD节点主应用程序设计流程框图

    一个RFD节点从自身配置、绑定完成到加入由协调器组建的网络，然后进入正常工作模式，要经历不同的状态。根据ZigBee协议栈的要求，在主应用程序中定义了6种工作状态。初始化状态(SM_APP_INIT)，即节点进行任何操作前的最初状态；配置状态(SM_APP_CONFIG_START)，即让节点进入配置模式的状态，主要通过调用配置函数引导用户完成配置操作；正常启动状态(SM_APP_NORMAL_START)，当已经配置过的节点再次使用时，无须再次进行节点配置，则直接进入正常启动状态，并尝试加入一个由协调器节点组建的网络；正常启动等待状态(SM_APP_NORMAL_START_WAIT)，RFD节点在尝试加入网络的过程中，要经过新网络初始化、网络初始化是否完成、网络初始化是否成功等问答和回应过程；正常工作状态(SM_APP_NORMAL_RUN)下，节点能够最终进入正常工作状态才能完成节点的绑定操作；休眠状态(SM_APP_SLEEP)下，ZigBee节点节能的关键就是能够实现在休眠状态和正常工作状态间的切换，当工作任务完成后能够自动进入休眠状态，而当受到触发后能够自动进入正常工作状态。

结语
    基于ZigBee技术的无线抄表系统不仅能节约人力成本，还可提高抄表的准确性、实时性，使管理部门能及时准确地获得数据信息。
    
参考文献：
1 白剑波等. ZigBee技术及其在楼宇自动化系统中应用的思考[J].智能建筑与城市信息,2006(1):102-104
2 刘和平等.PIC18Fxxx单片机程序设计及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社,2005