王天雷;张京玲;王柱
捕鼠笼
【摘 要】设计了一种基于无线网络通信技术的电能抄表系统,系统数据采集部分由电能计量芯片ATr7022B和8051单片机为核心进行构建,数据传输部分利用CC2430的ZigBee实现了与上位PC机无线网络通信,数据处理部分利用QT制作用户界面以及后台数据处理.实验证明本系统与传统抄表方式比较,具有成本低、功耗小、抗毁性强、组网简单和通用性强等优点.【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2016(045)007
【总页数】6页(P83-88)
【关键词】ZigBee;无线网络;ATT7022B;CC2430;QT
【作 者】王天雷;张京玲;王柱
【作者单位】五邑大学信息工程学院,广东江门 529020;五邑大学信息工程学院,广东江门 529020;五邑大学信息工程学院,广东江门 529020
【正文语种】脱蜡铸造中 文
【中图分类】TN926
近年来，随着电力负载的急剧增长和用户的不断增加，传统的抄表方式越来越困难，将无线通信技术的应用于自动抄表系统，有效地促进了自动抄表技术的发展。相对于所用的Zig-Bee，其他的无线抄表技术都存在着传输距离短、抗干扰性弱、功耗高、安装不便和成本高等缺点［1-2］。
ZigBee具有高效率、低成本、低功耗、抗毁性强、组网容易等特点，使得在无操作人员情况下，无线抄表系统可实现电力数据得自动采集、传输与处理。使用的过程当中，该系统利用自组织网络的特性，全天候、自动、智能且可靠地对于电力数据进行实时处理，特别针对用电高峰期的电力拥塞、光伏并网等特殊情况能实现实时监测，并通过后端平台进行自动化管理和远程控制，有利于相关部门对于稀缺性电力资源进行合理分配。
网状型拓扑结构的无线通信具有：可靠性高；网络结构多样化，采用多通道通信，多速率传输；网内节点共享资源容易；可实现线路信息流优化分配；可选择最佳路径，传输延迟小；网络容量大，可应用于较大的空间和适合比较分散数据采集等特点［3-5］。本文采用的基于ZigBee网络系统采用树型拓扑结构进行数据传输，整套系统由电表用户终端、ZigBee传输网络以及上位计算机组成，该网络能有效且快速的实现数据得采集与传输，网络结构如图1所示。
系统总体结构分为电能数据采集模块和上位机软件及数据库模块，如图2所示。其中电能数据采集模块采用电能计量芯片ATT7022B对电能数据进行采集，实现传统电表的数字化转换，实时、可靠地提供电表数字化的信息。无线电能抄表系统采用工作于2.4 GHz的ZigBee技术实现MCU与上位机的通信与数据的传输。ZigBee传输网络由CC2430芯片构成的传输模块（ZigBee节点）和中继传输模块（ZigBee路由/协调器）组成，将电表用户终端的数据传输到上位机；上位机则将数据进行汇总、存储与分析处理。
微区扫描电化学工作站2.1 ATT7022B电能采集
采用TI公司ZigBee解决方案的CC2430作为无线收发器，构建基于ZigBee协议栈通信网络。
ATT7022B主要负责电能数据的测量及处理，交流电路的信号输入通过电压和电流互感器接入；8051单片机则通过对SPI接口操作来读取ATT7022B芯片参数寄存器的电能参数，以及写入用于软件校表的校表寄存器数据。 传感器节点一般由数据采集单元、数据处理单元和数据传输单元以及电源管理单元等模块组成。节点硬件结构由图1所示。单片机8051通过SPI和一些离散控制信号与芯片CC2430进行通信。利用ZigBee终端节点进行电能采集流程见图3。
2.2 ATT7022B电能采集模块硬件
ATT7022B是适用于三相三线和三相四线的高精度电能专用计量芯片，通过SPI接口与8051单片机之间进行数据交换。电能采集模块由晶振电路、分压电路、电流及电压互感器电路组成。电流、电压互感器电路主要是将一侧高电压（电流）按照比例变为适合仪器读取/传输的较低电流，原理与变压器器相类似。
ATT7022B与单片机外围电路设计说明：1）由于系统采用5 V电源供电，单片机是3 V，需要电平转换；2）SPI通讯线较短，线上串入10 Ω电阻，在信号输入端加一个去耦电容，组
成一个低通滤波器，从而削弱高频干扰。为了增强抗干扰能力，电容可适当取大，CS、SCLK、DIN的串电阻和所并电容要尽量靠近芯片，DOUT的串电阻和所并电容要靠近单片机；3）单片机必须对SIG信号或其状态进行监控。需要复位时，必须由外部MCU通过SPI口对数据进行更新，以保证数据读取地准确性。电路如图4所示。
辐照灭菌设备3.1 CC2430传输模块外围电路
CC2430信号采用差分方式进行传输，其最佳差分负载被称之为匹配阻抗，电路应该根据这个数值进行设计。如果使用单端天线则需要使用平衡/非平衡阻抗转换电路以达到最佳收发效果。CC2430外接电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路两个部分。电路设计采用了非平衡变压器，可使电路的非平衡天线工作时效果更好。非平衡变压器由电容C40和电感L3、L4、L5组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻的要求。R3为偏置电阻，芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗。用1个32 MHz的石英谐振器（V1）和2个电容（C14和C15）构成一个32 MHz的晶振电路，为单片机模块提供系统时钟。用1
个32.768kHz的石英谐振器（V2）和2个电容（C26和 C27）构成一个32.768kHz的晶振电路，为通讯模块提供时钟。电压调节器为所有要求1.8 V电压的引脚和内部电源供电，C71、C7、C8、C9、C17、C22和C24是去耦合电容，用来实现电源滤波，以提高芯片工作的稳定性。CC2430外围电路如图5所示。
3.2 通信软件（ZigBee协议部分）
终端设备在整个系统中起着命令的接收和数据采集传输的作用。其主要工作流程如下：1）对节点进行初始化，其工作包括定义系统的时钟信号、工作频率、电源管理方式、ZigBee网络层和MAC层的参数及I/O接口和外设的初始化；2）进入寻网络阶段，即寻协调器。如果在其信号所覆盖的范围内有网络存在，并符合判断信息即加入到该网络；3）进入到等待命令状态，若没有接收到命令，则终端设备处于休眠状态，ZigBee终端节点入网流程见图2。
手套制作作为接收命令端的ZigBee协调器，由于采用的是8051为内核的CPU，因此时刻处于等待命令状态。上位机的利用QT设计交互界面来实现电能计量监控，并通过串口通信，利用ZigBee协调器发出采抄电表数据的命令。CC2430通信的实现，包含了串口通信和RF（Ra
dio Frequency）通信。
3.2.1 CC2430串口通信
串口通信通过Uart接口来实现信息的交流，要实现串口通讯，需要调用Z-stack API函数。
串口初始化函数：
void HalUARTInit（void）
打开串口要调用HalUARTOpen（uint8 port，halUARTCfg_t*config）函数来实现。HalUARTO-pen（uint8 port，halUARTCfg_t*config）
打开串口并设计函数：
3.2.2 CC2430 RF通信的实现
RF（Radio Frequency）通信通过无线射频模块来实现无线通信。要实现RF发送数据，需要调用AF_DataRequest（afAddrType_t*dstAddr，endPointDesc_t*srcEP，uint16 cID，
uint16 len，uint8*buf，uint8*transID，uint8 options，uint8 radius）函数。AF_DataRequest函数最终调用APSDE_DataReq原语，只需了解AF_DataRequest函数的参数，就可以非常灵活地以各种方式来发送数据。
发送数据函数：
3.2.3 ZigBee协议栈的应用
蓄电池模拟器本系统ZigBee网络功能的实现是建立在Zig-Bee2006协议栈基础上的。协议栈采用分层结构，各层向上层提供相应服务，并接受下层提供的服务，通过接口调用实现。协议栈采用树状地址分配机制，可实现自动选择新的路由功能，提高系统的可靠性［6］。协议栈架构见图6。
整个协议栈是以一个操作系统贯穿的，设计者要加入自己的应用，就要添加一个任务，在任务中执行，与协议栈实现无缝连接。OSAL采用事件驱动机制，通过任务的事件触发来实现任务的调度。在协议栈中的OSAL.c文件中，osal_init_system（void）函数的功能是初始化OS、添加任务到OS任务表中。在这个函数中通过调用osalAddTasks（）函数来定
制项目所需要应用的任务，是应用层和OS之间的接口函数，osalAddTasks（）函数是通过osalAddTask（）函数完成任务添加。
