系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
無線抄表系統(tǒng)是由多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)支持3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星形(Star)、網(wǎng)狀(Mesh)和樹形分簇(Cluster Tree)。星型結(jié)構(gòu)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(主設(shè)備)和一個(gè)或多個(gè)終端設(shè)備(從設(shè)備)組成。協(xié)調(diào)器是一種特殊的全功能設(shè)備(Full Function Device，F(xiàn)FD)。FFD是具有轉(zhuǎn)發(fā)與路由能力的節(jié)點(diǎn)。終端設(shè)備可以是FFD或簡(jiǎn)化功能設(shè)備(Reduced Function Device，RFD)。RFD 是最小且最簡(jiǎn)單的ZigBee 節(jié)點(diǎn)，只發(fā)送與接收信號(hào)，并不起轉(zhuǎn)發(fā)器、路由器的作用。如果某個(gè)終端設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個(gè)終端設(shè)備，它會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后由協(xié)調(diào)器依次將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)終端設(shè)備。
與采用有線網(wǎng)絡(luò)通信的樓控產(chǎn)品相比，無線解決方案的優(yōu)勢(shì)在于安裝布置的靈活性、低廉的安裝費(fèi)用和對(duì)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行重新布置的可移動(dòng)性。ZigBee技術(shù)產(chǎn)品以其低功耗、低成本以及優(yōu)秀的組網(wǎng)能力，被廣泛認(rèn)為將在未來幾年中對(duì)樓宇自動(dòng)化和工業(yè)產(chǎn)生重大的影響。本文研究的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)就基于ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無線自動(dòng)抄表功能。
本文設(shè)計(jì)的ZigBee節(jié)點(diǎn)是星型結(jié)構(gòu)中最簡(jiǎn)單的雙節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，即由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)組成。其中，ZigBee每個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件均由兩部分構(gòu)成：電能測(cè)量與處理部分和無線接收/發(fā)送部分。而硬件具體實(shí)現(xiàn)的功能則由燒寫入單片機(jī)的程序來決定。無線抄表系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 無線抄表系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
電能測(cè)量與處理模塊的工作原理
電能數(shù)據(jù)采集模塊的核心是美國(guó)ADI公司的一款高精度單相有功電能計(jì)量芯片ADE7753。該芯片集成了數(shù)字積分、參考電壓源和溫度傳感器。它提供了一個(gè)和有功能量成比例的脈沖輸出(CF)和數(shù)字系統(tǒng)校準(zhǔn)誤差電路(通道偏置校準(zhǔn)、相位校準(zhǔn)及能量校準(zhǔn))。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(cè)量。
ADE7753有電流和電壓兩個(gè)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(hào)經(jīng)可編程放大器(PGA)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后，電流信號(hào)經(jīng)電流通道內(nèi)的高通濾波器HPF濾除DC分量并數(shù)字積分后，與經(jīng)相位校正后的電壓信號(hào)相乘，產(chǎn)生瞬時(shí)功率；此信號(hào)經(jīng)低通濾波LPF2產(chǎn)生瞬時(shí)有功功率信號(hào)。利用功率偏差校準(zhǔn)寄存器的值對(duì)有功功率進(jìn)行校準(zhǔn)，放入采樣波形數(shù)據(jù)寄存器中，然后對(duì)采樣波形數(shù)據(jù)寄存器的值進(jìn)行累加，將功率累加值(電能值)存放在電能寄存器中，經(jīng)DOUT引腳輸出。
電流和電壓采集電路把交流電變?yōu)榭晒〢DE7753輸入的電壓。在電流通道中，通過di/dt微分電流傳感器實(shí)現(xiàn)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(huán)繞一根長(zhǎng)直導(dǎo)線排列、匝數(shù)為N的矩形空芯線圈組成。
無線收發(fā)模塊的工作原理
無線收發(fā)模塊主要由CC2420芯片和2.4GHz射頻天線以及相應(yīng)的阻抗匹配電路組成。芯片外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和單片機(jī)接口電路三個(gè)部分。本設(shè)計(jì)采用16MHz無源晶振，其負(fù)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(shí)為芯片內(nèi)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(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)和讀/寫狀態(tài)寄存器。
從天線接收到的射頻信號(hào)首先經(jīng)過低噪聲放大器和正交下變頻到２MHz的中頻信號(hào)，此混合I/Q信號(hào)經(jīng)過濾波、放大，再通過ADC轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。后經(jīng)自動(dòng)增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴(kuò)，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。發(fā)射機(jī)部分采用直接上變頻。待發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個(gè)比特被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到DAC。然后,經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后被調(diào)制到2.4GHz,并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
Microchip的ZigBee協(xié)議棧
完整的ZigBee協(xié)議棧自上而下由應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。本硬件設(shè)計(jì)選擇的是Microchip公司的PIC18系列單片機(jī),因此在軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)用了Microchip公司提供的ZigBee協(xié)議棧。它隨著ZigBee無線協(xié)議規(guī)范的發(fā)展而不斷更新。該協(xié)議棧有如下特點(diǎn)：使用支持2.4 GHz 頻帶的Chipcon CC2420 RF 收發(fā)器；支持簡(jiǎn)化功能設(shè)備和協(xié)調(diào)器；在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰接表和綁定表的非易失性存儲(chǔ)；支持非時(shí)隙的星型網(wǎng)絡(luò)；可以在大多數(shù)PIC18系列單片機(jī)之間進(jìn)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(shè)計(jì)。
RFD節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程
這里以RFD節(jié)點(diǎn)為例，闡述RFD節(jié)點(diǎn)加入由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組建的網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思想及程序流程。圖2是RFD節(jié)點(diǎn)主應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的流程框圖。其主要功能是實(shí)現(xiàn)硬件的初始化，并根據(jù)用戶指令進(jìn)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(xiàn)在協(xié)調(diào)器的綁定表中，從而使RFD節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)起來。對(duì)于第一次完成燒寫程序的節(jié)點(diǎn)，必須接入計(jì)算機(jī)終端，按照流程進(jìn)行配置和綁定操作；對(duì)于已經(jīng)完成綁定操作的節(jié)點(diǎn)，在進(jìn)行下一次操作時(shí)，可以無需計(jì)算機(jī)而進(jìn)行脫機(jī)操作。
圖2 RFD節(jié)點(diǎn)主應(yīng)用程序設(shè)計(jì)流程框圖
一個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)從自身配置、綁定完成到加入由協(xié)調(diào)器組建的網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入正常工作模式，要經(jīng)歷不同的狀態(tài)。根據(jù)ZigBee協(xié)議棧的要求，在主應(yīng)用程序中定義了6種工作狀態(tài)。
初始化狀態(tài)(SM_APP_INIT)，即節(jié)點(diǎn)進(jìn)行任何操作前的最初狀態(tài)；配置狀態(tài)(SM_APP_CONFIG_START)，即讓節(jié)點(diǎn)進(jìn)入配置模式的狀態(tài)，主要通過調(diào)用配置函數(shù)引導(dǎo)用戶完成配置操作；
正常啟動(dòng)狀態(tài)(SM_APP_NORMAL_START)，當(dāng)已經(jīng)配置過的節(jié)點(diǎn)再次使用時(shí)，無須再次進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置，則直接進(jìn)入正常啟動(dòng)狀態(tài)，并嘗試加入一個(gè)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組建的網(wǎng)絡(luò)；
正常啟動(dòng)等待狀態(tài)(SM_APP_NORMAL_START_WAIT)，RFD節(jié)點(diǎn)在嘗試加入網(wǎng)絡(luò)的過程中，要經(jīng)過新網(wǎng)絡(luò)初始化、網(wǎng)絡(luò)初始化是否完成、網(wǎng)絡(luò)初始化是否成功等問答和回應(yīng)過程；
正常工作狀態(tài)(SM_APP_NORMAL_RUN)下，節(jié)點(diǎn)能夠最終進(jìn)入正常工作狀態(tài)才能完成節(jié)點(diǎn)的綁定操作；休眠狀態(tài)(SM_APP_SLEEP)下，ZigBee節(jié)點(diǎn)節(jié)能的關(guān)鍵就是能夠?qū)崿F(xiàn)在休眠狀態(tài)和正常工作狀態(tài)間的切換，當(dāng)工作任務(wù)完成后能夠自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，而當(dāng)受到觸發(fā)后能夠自動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
結(jié)語
基于ZigBee技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)不僅能節(jié)約人力成本，還可提高抄表的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，使管理部門能及時(shí)準(zhǔn)確地獲得數(shù)據(jù)信息。
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