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基于ZigBee的多用戶智能電表設(shè)計
1設(shè)計方案
文中的設(shè)計針對對象是小區(qū)用戶，在小區(qū)內(nèi)每一座住宅樓的各個單元中安裝一塊智能電表，標準設(shè)計中，一塊電表可實現(xiàn)一個單元最多16戶的電能自動測量和自動斷電等附屬功能（可通過增加數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)目實現(xiàn)一個單元更多的用戶點數(shù)目）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，從系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)上電表可分為控制單元，測量與執(zhí)行單元，通訊單元三部分。具體功能分析如下：
1.1控制單元
電表的控制單元由基于MSP430F133的控制器模塊組成，控制器模塊按照預(yù)先設(shè)定的控制程序通過對數(shù)據(jù)選擇器的相應(yīng)操作逐次接受對應(yīng)電能計量模塊傳送的脈沖信號，按照文中設(shè)計的計量方式，經(jīng)內(nèi)部計算處理后，得出其在循環(huán)周期內(nèi)的電量數(shù)據(jù)，實時累加存儲并定時以ZigBee通訊方式上傳，同時控制執(zhí)行器模塊/通訊模塊實現(xiàn)對實時/定時的欠費斷電/實時抄送命令的執(zhí)行。而且控制器單元作為智能電表的大腦也負責了整個電表系統(tǒng)日常工作的運行與維護。
1.2測量與執(zhí)行單元
電表的測量單元由16個電表計量模塊與一個16選1數(shù)據(jù)選擇器組成，每一塊計量模塊由ADE7755電能計量芯片及其附屬電路構(gòu)成，實現(xiàn)一個家庭用戶的電能自動測量，符合當前“一戶一表”的要求，ADE7755可以實現(xiàn)用電量的自動測量，將當前用電量以脈沖信號的形式經(jīng)過數(shù)據(jù)選擇器輸送到控制器，而16選1數(shù)據(jù)選擇器可通過設(shè)定的程序逐次將各個計量模塊的脈沖信號輸送到控制器，針對家庭居民用戶，用電功率小且功率曲線平緩不易突變的特點，采用在一循環(huán)時間周期內(nèi)用其中某一時間段的平均功率代替整個時間范圍平均功率的計量方式。文中選取32s作為循環(huán)周期，具體地講，在32s的循環(huán)周期內(nèi)，每2s逐次接通一個數(shù)據(jù)測量通道，控制器記錄下相應(yīng)電能計量模塊在2s時間內(nèi)的積累脈沖數(shù)。
采用此種計量方式不僅可以保證測量精度，而且大大節(jié)省了控制器芯片的端口資源從而有效降低系統(tǒng)成本。數(shù)據(jù)選擇器采用控制器對其4個控制引腳的不同職位實現(xiàn)16個數(shù)據(jù)上傳通道的逐次接通。電表的執(zhí)行單元由一個4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器和16個SSR構(gòu)成，一旦單片機收到上端集中器下傳來的欠費或者其他原因引起的斷電信號就立即通過對4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器的G0，G1，A，B，C，D 6個引腳的不同置位控制相應(yīng)用戶所屬的固態(tài)繼電器切斷其電源供應(yīng)。
1.3通訊單元
電表與上層集中器的通訊方式采用ZigBee通訊方式。從過程上講，采用CC2420芯片通過ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)將16戶的當前用電量以被動查詢或定時上傳的形式發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器?；蛘邔⑸蠈訑?shù)據(jù)集中器的查詢命令與欠費自動斷電命令下載到控制器單元。從數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)上講，一定數(shù)目的多用戶智能電表和一個集中器構(gòu)成中心結(jié)構(gòu)的ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)。
2硬件設(shè)計
2.1控制器單元原理圖電路構(gòu)建
控制單元以MSP430F133單片機作為核心控制芯片，MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。
MSP430F133單片機在32s的循環(huán)周期內(nèi)通過控制數(shù)據(jù)選擇器的4位選擇引腳，每2s逐次接通一個通道將從對應(yīng)電能計量模塊上傳來的累加脈沖信號累加到對應(yīng)的累加器單元中，在每10min將積累的計量脈沖計算轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的用電量數(shù)據(jù)附加上當前的時間常數(shù)存儲到對應(yīng)的存儲器單元中。在每1h末按照預(yù)先的程序定時上傳存儲數(shù)據(jù)或者隨時執(zhí)行下傳的抄送命令立即將積累的脈沖計算轉(zhuǎn)化為用電數(shù)據(jù)附加上此刻的時間常數(shù)，和前1h末到此刻積累的存儲數(shù)據(jù)一起發(fā)送到上層的集中器。發(fā)送的方式是通過ZigBee通訊模塊發(fā)送到小區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)集中器上端。同時可隨時將上端傳送來的欠費或其他原因造成的斷電指令發(fā)送到執(zhí)行模塊，實現(xiàn)自動斷電功能。控制器具體硬件構(gòu)建如下：
系統(tǒng)供電采用LM7805整流后的+3.3V直流電源，以+4.5V電池組作為后備電源；系統(tǒng)采用4×4矩陣鍵盤進行參數(shù)設(shè)置；外擴了FM24C16以增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲能力；用戶的用電量顯示可精確到最新10m內(nèi)的用電量，采用6只共陰極LED數(shù)碼管構(gòu)成的動態(tài)掃描顯示電路第一位采用16進制數(shù)字表示16個用戶，其后的5位數(shù)字顯示相應(yīng)用戶的當前用電量，精度可以精確到小數(shù)點后2位數(shù)。也可以將其用電量數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后直接循環(huán)逐次顯示當前用電費用，采用不同時刻不同費率的計算處理手段同時可以實現(xiàn)計費復(fù)費率功能。其具體硬件原理連接電路圖如圖2所示。
2.2測量及其執(zhí)行單元原理圖電路構(gòu)建
測量單元中數(shù)字式電能計量芯片采用ADE7755，16選1數(shù)據(jù)選擇器采用74LS150。執(zhí)行單元中4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器采用74HC154，SSR采用MOC3061+IGBT。
ADE7755是美國著名的ADI公司設(shè)計生產(chǎn)的一種脈沖輸出的電能計量集成芯片，在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準確度和長期穩(wěn)定性。它內(nèi)部集成了包含相位校正、乘法器、數(shù)字一頻率轉(zhuǎn)換器、信號處理電路組成的電能計量運算的核心電路，并能將電量以與瞬時功率成正比的脈沖輸出形式提供給MCU，單片機只需通過計數(shù)器自動記錄一定時間間隔內(nèi)傳送的脈沖數(shù)，然后與功率/頻率轉(zhuǎn)換參數(shù)相乘即可得出這一時間段內(nèi)的用電量。單片機在不同時間采用不同的費率/功率參數(shù)即可方便的實現(xiàn)復(fù)功率計費。
ADE7755中SCF=0，S1=S0=1。CF輸出選擇最高頻輸出模式，儀表脈沖/功率輸出常數(shù)為204800imp/kWhr，戶用電最大電流值為20A，則PMAX=2.2kW，CFMAX=125Hz，系統(tǒng)設(shè)計要求CFMIN=0.5Hz，則PMIN=8.8W。即文中的多用戶智能電表能夠測量的最低功率為8.8W。
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MSP430F133通過對74LS150的A、B、C、D 4個引腳的不同置位實現(xiàn)E0-E15共16條通道的依次接通。而ADE7755將當前用電功率以脈沖頻率的形式輸送到MSP430F133，實現(xiàn)自動抄表；一旦上位集中器發(fā)送斷電命令，單片機通過4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器74HC154的置位控制相應(yīng)的SSR固態(tài)繼電器實現(xiàn)斷電，原理是通過光電耦合器MOC3061驅(qū)動IGBT的關(guān)斷。其具體硬件原理連接電路圖如圖3所示。
2.3通訊單元原理圖電路構(gòu)建
CC2420只需要極少的外圍元器件，它的外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路三個部分。其硬件原理連接電路圖如圖4所示。
CC2420內(nèi)部使用1.8V工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設(shè)備；外部數(shù)字I/O接口使用3.3V電壓，這樣對于只有3.3V電源的設(shè)備，不需要額外的電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作。CC2420射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負載是115+j180，阻抗匹配電路應(yīng)該根據(jù)這個數(shù)值進行調(diào)整。如果使用單端天線則需要使用平衡/非平衡轉(zhuǎn)換電路，以達到最佳收發(fā)效果。CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SDF、FIFO、FIFOP、和CCA四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài);而處理器通過SPI接口與CC242O交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等;CC2420通過4線SPI總線（SI、SO、SCLK、CSn）設(shè)置芯片的工作模式并實現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)、讀／寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射／接收緩存器。
3軟件設(shè)計
電表系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括主程序設(shè)計和通訊程序設(shè)計，在此只講主程序的設(shè)計，其流程圖如圖5所示。
系統(tǒng)進程首先進行初始化，成功后的進程分為并列的兩部分。其一是各戶用電量的上抄：單片機內(nèi)輪抄計數(shù)器置01，MSP430F133對74LS150的ABCD四個控制端置0000位，此時引腳EA0對應(yīng)的通道接通到MSP430F133的輸入端，單片機統(tǒng)計其在32s內(nèi)積累的脈沖數(shù)。2s后，輪抄計數(shù)器加1為02，ABCD置1000位，EA1對應(yīng)通道接通，進行相應(yīng)用戶的計數(shù)積累脈沖的上抄，以此循環(huán)進行相應(yīng)用戶的抄送，當輪抄計數(shù)器的數(shù)目=16時，完成總共16戶的上抄，將輪抄計數(shù)器的置01，進行下一輪循環(huán)的上抄?？傮w上講，整個電表系統(tǒng)32s為一個循環(huán)，對用戶用電量進行循環(huán)抄送，每10m將各用戶累加器單元統(tǒng)計的累積脈沖計算轉(zhuǎn)換為電量數(shù)據(jù)（用電量=脈沖數(shù)×16×儀表脈沖/功率輸出常數(shù)，因統(tǒng)計脈沖數(shù)是真實值的1/16）并附屬時間常數(shù)存儲到對應(yīng)的存儲器單元，并且實時顯示最新10m內(nèi)的用電量/用電費用，每1h末進行用電數(shù)據(jù)（用電量和對應(yīng)的時間常數(shù)）的定時傳送，其二是電表數(shù)據(jù)的上傳和斷電的執(zhí)行：啟動CC2420連入ZigBee局域網(wǎng)，成功后等待上層集中器命令，一旦網(wǎng)絡(luò)斷開立即重啟CC2420重新連入局域網(wǎng)絡(luò)；上層集中器下載的命令分為數(shù)據(jù)上傳和欠費斷電兩種，若是斷電命令，MSP430F133控制相應(yīng)用戶的SSR斷開電源連接，成功后自動轉(zhuǎn)為待命狀態(tài)，若不成功，重復(fù)進行斷電操作直至操作成功。若是上傳命令，MSP430F133立即將累加器內(nèi)積累脈沖轉(zhuǎn)化為電量數(shù)據(jù)附上時間常數(shù)存儲到對應(yīng)的存儲器單元，然后將前1h末到此刻RAM內(nèi)的存儲數(shù)據(jù)通過CC2420以ZigBee通訊的方式上傳到上位集中器。成功后自動轉(zhuǎn)入待命狀態(tài)。
4結(jié)束語
采用了ZigBee通訊技術(shù)的多用戶智能電表是遠程自動抄表系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)和構(gòu)成元素，一定數(shù)目的表和同樣采用基于CC2420的ZigBee通訊技術(shù)的集中器構(gòu)成了中心結(jié)構(gòu)的ZigBee局域通訊網(wǎng)絡(luò)，每一塊表與中心節(jié)點集中器數(shù)據(jù)交換，集中器將匯集的抄表數(shù)據(jù)上傳到遠程控制中心實現(xiàn)遠程自動抄表。在實驗室環(huán)境下利用MSPRF-430F2618-PK專業(yè)開發(fā)系統(tǒng)（部分模塊進行了更換）進行驗證試驗，證明多用戶智能電表運行正常，與集中器通訊暢通，但也存在通訊距離不夠遠（小于50m），易受外界電磁環(huán)境干擾的缺陷?？煽紤]采用最新的CC2591（加強了天線功率，其理論通訊距離可達到1000m）替換CC2420的方式提高通訊效率。
從總體上看，文中的多用戶智能電表兼容了抄表器功能，在“一戶一表”的前提下簡化了抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省了系統(tǒng)成本。與當前使用有線通訊技術(shù)（如電力載波/總線通訊等）的智能電表相比，基于ZigBee的多用戶智能電表實現(xiàn)短距離范圍內(nèi)無線抄表不僅避免了有線抄表布線施工的難題，而且在遠程抄表系統(tǒng)中具備無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功能，即其在抄表通訊網(wǎng)絡(luò)中的投入和退出只需遠程控制而不需要進行任何的硬件修改，從而極大地降低了安裝運行之后的日常維護工作的勞動強度。而與同樣是無線抄表的GSM技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)基于免費的2.4GHz頻道，不需為此付出昂貴的通訊頻道租借費用?？傊统杀镜腪igBee通訊技術(shù)與電表相結(jié)合，不但符合當前市場對智能電表的功能要求，而且符合未來“智能家居”發(fā)展的要求。自動抄表是“智能家居”三表集抄系統(tǒng)的一個功能單元，ZigBee通訊技術(shù)作為“智能家居”中最有前途的通訊手段與前者的結(jié)合不僅是經(jīng)濟效益最高的，也代表了以后電表的發(fā)展方向。
