采用智能电表的居民用户无线自动抄表系统

【中心议题】

• 介绍了一种基于智能电表自动抄表系统
• 分析了设计中的关键问题

【解决方案】

• 采用分层设计
• 利用ZigBee Pro无线传感器网络

1引言

传统的手工抄表方式费时、费力且了远程自动抄表系统。居民用户集中抄表系统在国内已发展了十多年，但目前仍未大面积推广应用。主要原因有以下几点：

（1）抄表集中器与抄表采集器间通信存在问题：①采用有线的RS-485总线或现场总线存在布线不方便、易受自然及人为因素影响且维护工作量大等缺点；②集中器与采集器间采用电力线载波通信方式，由于非线性负荷的大量使用，对电力线载波特别是扩频电力线载波信号产生负面影响，使其数据传输不稳定；③集中器与采集器间采用传统的430MHz无线通信方案，自己编制软件实现网络路由及网络组织的通信协议，其稳定性与可靠性得不到保障。

（2）试运行暴露出的技术问题，特别是系统的抗干扰问题，因后期使用的运行维护跟不上无法及时反馈到研制单位，造成系统没有及时改进完善。

ZigBee无线传感器网络通信采用免申请的2.4GHz通信频段，非路由情况下通信距离可达500m。其所采用的网络协议具有自动组织网络、自动路由、网络自愈等功能。可解决集中器与采集器间的通信问题。在设计时充分考虑硬件的电磁兼容问题、软件的容错能力，按照标准进行设计和生产，加强对试运行系统的跟踪改进，可大大提高系统运行的稳定性。

2系统结构

系统由主站及装设在居民小区的单相智能电表、采集器、路由器和集中器构成。主站与各集中器间的通信方式为GPRS。集中器与采集器间采用ZigBee无线传感器网络通信，路由器在集中器与采集器间起数据路由作用。采集器与智能电表间采用RS-485总线通信。系统结构如图1所示。

系统主站采用交换式以太网组网，可设置在小区物业管理处或电力公司大楼。主站由前置通信机、Web服务器、数据服务器、GPS卫星对时系统及工作站等构成。其中前置通信机申请配置固定IP地址，采用移动通信公司提供的2M光纤DDN专线，与GPRS网络相连。前置通信机与各集中器进行双向数据通信。前置通信机接收集中器发送的电能量及相关数据，经解析后转存入数据服务器；也可发送命令到各集中器。前置通信机还实现对各集中器的远程维护。Web服务器实现数据的网页发布，达到系统分析结果数据电力公司内共享的目的。数据服务器用于存放历史数据，并进行分析和统计。数据服务器还实现对集中器，采集器及智能电能表、居民用户等台帐的完整准确管理。工作站实现对主站系统及集中器和采集器的维护工作，也可有权限地查看、管理主站系统有关数据。GPS卫星对时系统，实现各智能电表、采集器、集中器及主站系统时间的一致性和正确性，提供电能量数据同时性的保障。

3硬件

3.1采集器硬件

采集器通过RS-485总线最多挂接32台单相智能电表。采集器实现的主要功能有：实现对智能电表的小时冻结、日冻结、月冻结和瞬时电量等数据的采集及存储；记录与各电表间的通信状态；记录各种事件；对电表进行对时；响应集中器的数据要求及参数设置命令。采集器采用Microchip公司的16位单片机PIC24FJ64GA002为CPU，扩展4M串行Flash数据存储器。采集器硬件结构如图2所示，CPU带2个UART接口，1个经RS-485接口芯片MAX1487并隔离后与智能电表通信，1个用于实现ZigBee无线传感器网络通信。CPU还外扩了掉电检测、红外接口、时钟等外围电路。ZigBee无线传感器网络通信实现的方案有：内置2.4GHz通信接口的CPU；CPU加外置2.4GHz通信接口芯片；CPU加外置2.4GHz通信接口模块等3种。3种方案均可采用ZigBee Pro协议栈构建Mesh网。前2种方案的无线通信硬件设计及通信协议栈移植等研发工作量大，需要具有高频设计方面的经验，研发周期长。采用方案3，CPU通过UART接口与ZigBee模块交换数据，无线传感器网络的组建、数据路由、网络自愈等功能由带有CPU的ZigBee模块实现。

这样采集器的软件和硬件设计就较为简单。选用Digi公司带U.F.L天线的增强型无线通信模块XBeePR0 ZB为2.4GHz无线通信接口，外接5dB全向天线。该模块具有基于Mesh网的固件XB24-ZB，支持ZigBee Pro协议栈，体积小，功能强大，性能稳定，价格适中。XBee PR0 ZB模块功耗为60mW（+18dBm），传输距离可达500m。模块通过UART接口与采集器CPU交换数据。设计用到模块的数据输出、数据输入、状态指示以及电源引脚。

3.2集中器及路由器硬件

路由器仅由无线通信模块及电源两部分构成。考虑到通信距离问题，路由器及集中器的无线通信模块均选用增强型无线通信模块XBee Pro ZB模块，U.F.L天线，外接5dB全向天线。集中器作为系统通信管理机，要求其具有多个通信接口，其设计方案有：内置多串口的CPU；CPU加串口扩展芯片；多串口CPU模块等3种。前2种方案均需要根据应用扩展一定的存储空间，另外，集中器要求实现的功能较多，基于操作系统进行软件设计较方便且开发速度快，但对于前2种方案，均要做操作系统移植及底层驱动软件开发等工作，需耗费时间且短期内难以做到稳定可靠。综合考虑开发周期、可靠性、成本等因素，采用最后1种方案，选用Rabbit公司工业级RCM6700模块。该模块主要硬件资源有：6个高速UART接口，1个以太网口，1个USB口，1M并行程序flash，2M串行数据flash，640k快速SRAM，32个数字I/0口线，看门狗，时钟等。

集中器硬件结构如图3所示。RCM6700模块通过USB口扩展大容量存储器用于存储各智能电表的电量数据。RCM6700模块3个UART通过MAX1487芯片及PC817芯片提供3路隔离RS485通信接口，1路用于同三相智能总表通信，2路预留。模块另外3个UART，1个与XBee PR0 ZB模块通信，1个作为调试及程序下载口，1个与中兴ME3000 GPRS模块通信[10]。RCM6700模块的以太网接口预留。集中器还扩展了3路隔离开关量输入及2路隔离开关量输出。其中开关量输入用于检测计量箱门状态。

4软件

4.1地址编码

单相智能电表地址采用6个字节4位二进制码BCD（Binary-Coded Decimal）表示。直接采用其出厂编号，采集器地址采用8个字节BCD码表示，直接采用XBee PR0 ZB模块出厂的唯一ID号，不可更改。集中器的地址编码按照《Q/GDW 376.1-2009电力用户用电信息采集器系统通信协议——主站与采集终端通信协议》（以下简称Q/GDW 376.1-2009）地址域的要求确定。集中器存储其包含的采集器的地址；采集器存储其包含的单相智能电表的地址；主站计算机系统存储集中器、采集器及单相智能电表的地址，且与居民用户信息建立对应关系。

4.2通信协议

采集器与单相智能电表间通信协议采用DL/T645-2007。采集器与集中器，现场手持设备与采集器间的通信帧格式设计为：帧起始字符（68H）＋功能码（FUN）＋数据域长度（L）＋数据域（DATA）+CRC校验+结束符（16H）。XBee PR0 ZB通信模块提供AT指令及应用编程接口API（ApplicationProgramming Interface）等2种通信方式。API方式可指定任意通信目标节点，具有校验域，且本身具有数据重发机制，可保证数据准确到达目标节点，故采用API通信方式。现场手持设备与集中器，集中器与主站软件间通信遵循国标Q/GDW 376.1-2009。

4.3通信软件

（1）采集器与集中器间通信软件

采集器与集中器间数据传输需路由，通信采用ZigBee Pro无线传感器网络。ZigBee协议在IEEE802.15.4基础上定义了网络层以支持网络路由功能，该协议具有抗干扰能力强、网络容量大、网络的自组织自愈能力强等特点，网络由协调器、路由器和终端设备3种通信节点组成。协调器选择一个PANID和信道启动一个网络后也可充当路由器。协调器和路由器允许其他通信节点加入这个网络，能够路由数据；终端设备不能路由数据，在不收发数据时可以休眠。当通信节点加入网络时，加入的通信节点为子节点，允许子节点加入的通信节点为父节点，1个父节点最多有8个子节点。ZigBee联盟推出了ZigBee 1.0、ZigBee 2006及ZigBee Pro等3个版本的协议栈，与另外2个协议栈相比，ZigBee Pro在随机地址分配、网络路由、组播、网络安全等方面作了改进。

通过Digi公司提供的XBee PR0 ZB模块配置软件将采集器的XBee PR0 ZB模块设置为路由器，集中器的XBee PR0 ZB模块设置为协调器，系统中没有终端设备。同时利用模块配置软件软件对XBeePR0 ZB模块的通信模式及其他相关参数进行合理设置，采集器的CPU将数据通过UART发给参数已正确配置的XBee PR0 ZB模块，XBee PR0 ZB模块自动按照ZigBee Pro协议建立路由连接，寻找路径，将数据发送到目的地址。参数设置内容包括：网络、地址、射频RF（Radio Freqency）接口、网络安全、串行接口、休眠方式、I/O设置、诊断命令等。下面介绍系统用到的主要参数设置。

1）扫描信道。网络由协调器负责创建，在组建网络时，协调器要进行通道的能量扫描，找出不同通道的RF活动水平，以避免协调器在高能量通道区组网。同样，路由器和终端设备在加入网络时，也要进行同样的通道扫描。

2）扫描PAN ID。路由器或终端节点在加入ZigBee网络前要进行PAN扫描，将加入任何检测到的网络，并继承该网络的PAN ID。一般需设置节点的64位PAN ID，16位PAN ID在其加入网络时自动获得。

3）目标地址。当采集器加入网络时，使用64位地址进行通信。成功加入网络后，网络会为采集器分配一个16位的网络地址。这样采集器便可使用该地址与网络中的其它采集器或集中器进行通信。

4）串口通信参数。包括：波特率、校验方式、流控制等。

5）数据传输模式。与AT模式相比API模式具有易于管理一个到多个目标节点的数据传输，接收到的数据帧可以指示发送设备地址，支持高级ZigBee地址，高级网络故障诊断和远程参数配置等特点。采集器与集中器之间需进行双向数据传输，数据传输方式采用API模式。

6）数据路由。ZigBee Pro协议栈包含3种不同的数据路由方法：基于距离矢量的按需AODV（ADhoc On-demand Distance Vector）网状路由，多对一路由，源节点路由。其中多对一路由和源节点路由是ZigBee Pro协议栈新增加的数据路由方法。当多个采集器有事件发生且需要发送数据到集中器。若采用AODV网状路由则需要大的网络通信开销，网络中的每个采集器在发送数据到集中器前都要进行路由路径的探寻，网络将会因路由探寻广播而性能降低或瘫痪。因此，采集器间与集中器间通信采用ZigBee Pro协议栈所提供的多对一路由。从集中器发出单一的多对一广播传输在所有采集器上建立反向路径，而不要求各个采集器进行路由发现。

7）网络安全。ZigBee Pro网络采用2个安全钥匙、1个信任中心及128位AES加密等保证数据通信的安全。设置协调器为信任中心，使能安全功能，预设网络安全钥匙和应用链接钥匙，则协调器负责路由器或终端设备加入网络的验证。路由器或终端设备加入网络前其应用钥匙要设置与协调器一致。新节点加入网络时将收到协调器发送的由应用链接钥匙加密的网络安全钥匙，解密后可获得网络安全钥匙。具有相同安全钥匙的两个节点才能进行数据交换。系统通过对网络安全钥匙、帧计数器、是否允许新节点加入等的管理来提高网络通信的安全性。

（2）集中器与主站间通信软件

集中器软件采用Dynamic C设计，Dynamic C是一个专门为Z-World产品创建的集成C编译器、编辑器、链接器、装载器和调试器。Dynamic C中包含标准C函数库，特定板外围驱动，芯片外围设备和相关功能的源代码，语言上扩展多任务，支持汇编代码与C代码混用，易于在嵌入式系统上进行实时编程，可有效缩短开发周期。

集中器完成的功能包括：①采集各电能表的实时电能示值、日零点冻结电能示值、抄表日零点冻结电能示值；②按要求对采集数据进行分类存储，如日数据、月数据、抄表日数据、冻结曲线等。曲线冻结数据密度由主站设置，最小冻结密度为1h；③分类存储下列数据：每个客户电能表至少31个日零点冻结电能数据，12个月末冻结电能数据；20个重点用户10天的24点实时电能数据；④具有重点用户管理功能。可以选定某些用户为重点用户，对其电能表进行重点管理；⑤具有参数设置和查询功能，事件处理和告警功能。基于μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统设计集中器软件，该操作系统支持多任务，适合集中器复杂软件设计的要求。基于μC/OS-Ⅱ操作系统的应用设计需进行任务划分及任务优先级分配。按集中器实现的功能划分任务：与采集器通信任务，与主站计算机通信任务，与手持设备通信任务，电量数据处理分析任务，运行状态信号灯指示任务等。依据任务实时性要求为各任务分配优先级，优先级范围为1－64，数字越小，表示优先级越高，其中64被μC/OS-Ⅱ系统的空闲任务占用，实际可用优先级范围为1－63。此外还需按照各个任务所处理数据量的大小，给每个任务分配大小合适的栈空间。任务间相对独立，通过全局变量、信号量等机制通信，各个任务分别编写，可提高软件开发效率且有助于软件的升级维护。下面主要介绍集中器与主站计算机通信任务实现的关键。

集中器与主站距离远，采用基于TCP/IP协议的GPRS通信网络。ME3000模块内部已集成TCP/IP协议，CPU只需用GPRS AT指令与ME3000交换信息，进而实现与主站的数据通信。GPRS AT指令是CPU通过UART口与GPRS模块通信的命令集，该命令集封装了GPRS模块提供的全部功能，包括普通指令、网络服务指令、控制与报告指令、消息服务指令、GPRS指令、TCP/IP指令、短消息指令等。集中器对GPRS模块的主要操作是建立TCP连接、数据收发、上/下电控制、复位等。用到的GPRSAT指令不多，但为了保证GPRS网络通信的可靠性，还要使用一些报告指令实现对模块状态的监测，如信号强度查询、SIM卡状态查询、网络注册查询等，这些参数是集中器操作GPRS的依据，也是保证集中器的GPRS网络可靠通信的关键。如ME3000模块的信号强度检测指令，其格式为AT+CSQ，返回值是一个类似“CSQ：27，4”的字符串，27代表信号强度，其取值范围为0－30，0为最弱信号。GPRS模块连接网络前需判断该数值是否大于某个临界值（如15），若不满足信号强度要求则不予连接网络，并给出信号灯提示。另外，合适的操作节奏也是保证GPRS网络通信可靠性的重要因素。如某次网络连接失败时，GPRS模块应该断电复位，并延时较长时间后再尝试第二次连接，较长的延时时间是为了保证GPRS模块上电后有足够的时间注册网络、准备好接收指令。GPRS通信软件处理流程如图4所示。

5结论

采集器利用RS-485总线采集智能电表的电量数据，然后通过ZigBee Pro无线传感器网络将数据路由到集中器后经GPRS网络传送到主站，构成居民用户3层无线自动抄表系统。详细分析了各层通信的具体实现方法及关键技术。考虑事件发生时存在多个采集器同时向集中器发送数据的特殊路由需求及网络通信安全，采集器与集中器间的无线传感器网络采用具有多对一路由及高级网络安全性能的ZigBee Pro协议。