【中心議題】
構建了一種新型的基于ZigBee通訊技術的多用戶智能電表
可實現小區用戶一個單元內標準16戶的電表無線抄送
【解決方案】
采用MSP430F133單片機控制16個電能計量模塊ADE7755實現自動抄表
通過CC2420芯片以ZigBee無線通訊的方式實現數據上傳下載
使用SSR執行自動斷電功能
0 引言
隨著公元2000年“后PC”時代的來臨，電表的發展由“機電一體化”時代進入“智能”時代，其標志是電表從單純被動抄表到電能數據自動遠程傳送以及附屬功能的多樣化（例如復費率、自動斷電等）。正在興起的無線傳感器網絡技術是電表發展的最新前進方向；從根本上講，自動抄表系統是一種監控內容少，實時性要求弱的監控系統，而無線傳感器網絡技術所具有的無線傳輸，免費傳輸頻段，傳輸數據量小，傳輸速率慢，節點數量多，組網方式靈活，構建成本低廉的特點正是自動抄表系統所追求的目標，電表作為自動抄表系統的硬件基礎與無線傳感器網絡相結合符合技術發展的要求。
ZigBee無線通訊技術作為當前應用最為廣泛的無線傳感器網絡技術的代表在自動抄表產品中已經有初步的應用，但是多以抄表器上傳通訊手段的方式在自動抄表中應用，隨著微電子技術和嵌入式技術的發展，抄表器的功能完全可以由智能電能表兼容，因此自動抄表系統中的抄表器及其下層附屬的各個電表完全可以由一個采用ZigBee通訊方式的多用戶智能電表替代，文中設計的智能電表即采用這種技術方案。
1 設計方案
文中的設計針對對象是小區用戶，在小區內每一座住宅樓的各個單元中安裝一塊智能電表，標準設計中，一塊電表可實現一個單元最多16戶的電能自動測量和自動斷電等附屬功能（可通過增加數據選擇器的數目實現一個單元更多的用戶點數目）。系統結構框圖如圖1所示，從系統功能結構上電表可分為控制單元，測量與執行單元，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，控制器模塊按照預先設定的控制程序通過對數據選擇器的相應操作逐次接受對應電能計量模塊傳送的脈沖信號，按照文中設計的計量方式，經內部計算處理后，得出其在循環周期內的電量數據，實時累加存儲并定時以ZigBee通訊方式上傳，同時控制執行器模塊/通訊模塊實現對實時/定時的欠費斷電/實時抄送命令的執行。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日常工作的運行與維護。
1.2測量與執行單元
電表的測量單元由16個電表計量模塊與一個16選1數據選擇器組成，每一塊計量模塊由ADE7755電能計量芯片及其附屬電路構成，實現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可以實現用電量的自動測量，將當前用電量以脈沖信號的形式經過數據選擇器輸送到控制器，而16選1數據選擇器可通過設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，采用在一循環時間周期內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作為循環周期，具體地講，在32s的循環周期內，每2s逐次接通一個數據測量通道，控制器記錄下相應電能計量模塊在2s時間內的積累脈沖數。
采用此種計量方式不僅可以保證測量精度，而且大大節省了控制器芯片的端口資源從而有效降低系統成本。數據選擇器采用控制器對其4個控制引腳的不同職位實現16個數據上傳通道的逐次接通。電表的執行單元由一個4線—16線數據輸出控制器和16個SSR構成，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線數據輸出控制器的G0,G1,A,B,C,D 6個引腳的不同置位控制相應用戶所屬的固態繼電器切斷其電源供應。
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局域網絡將16戶的當前用電量以被動查詢或定時上傳的形式發送到數據集中器。或者將上層數據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。從數據傳輸結構上講，一定數目的多用戶智能電表和一個集中器構成中心結構的ZigBee局域網絡。
2 硬件設計
2.1控制器單元原理圖電路構建
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用需求，把許多模擬電路、數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的循環周期內通過控制數據選擇器的4位選擇引腳，每2s逐次接通一個通道將從對應電能計量模塊上傳來的累加脈沖信號累加到對應的累加器單元中，在每10min將積累的計量脈沖計算轉化為相應的用電量數據附加上當前的時間常數存儲到對應的存儲器單元中。在每1h末按照預先的程序定時上傳存儲數據或者隨時執行下傳的抄送命令立即將積累的脈沖計算轉化為用電數據附加上此刻的時間常數，和前1h末到此刻積累的存儲數據一起發送到上層的集中器。發送的方式是通過ZigBee通訊模塊發送到小區內的數據集中器上端。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送到執行模塊，實現自動斷電功能。控制器具體硬件構建如下：
系統供電采用LM7805整流后的+3.3V直流電源，以+4.5V電池組作為后備電源；系統采用4×4矩陣鍵盤進行參數設置；外擴了FM24C16以增加系統數據儲能力；用戶的用電量顯示可精確到最新10m內的用電量，采用6只共陰極LED數碼管構成的動態掃描顯示電路第一位采用16進制數字表示16個用戶，其后的5位數字顯示相應用戶的當前用電量，精度可以精確到小數點后2位數。也可以將其用電量數據經單片機處理后直接循環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計費復費率功能。其具體硬件原理連接電路圖如圖2所示。
2.2測量及其執行單元原理圖電路構建
測量單元中數字式電能計量芯片采用ADE7755，16選1數據選擇器采用74LS150。執行單元中4線—16線數據輸出控制器采用74HC154，SSR采用MOC3061+IGBT。
ADE7755是美國著名的ADI公司設計生產的一種脈沖輸出的電能計量集成芯片，在惡劣的環境條件下仍能保持極高的準確度和長期穩定性。它內部集成了包含相位校正、乘法器、數字一頻率轉換器、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器自動記錄一定時間間隔內傳送的脈沖數，然后與功率/頻率轉換參數相乘即可得出這一時間段內的用電量。單片機在不同時間采用不同的費率/功率參數即可方便的實現復功率計費。
ADE7755中SCF=0，S1=S0=1。CF輸出選擇最高頻輸出模式，儀表脈沖/功率輸出常數為204800imp/kWhr,戶用電最大電流值為20A,則PMAX=2.2kW,CFMAX=125Hz,系統設計要求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。
MSP430F133通過對74LS150的A、B、C、D 4個引腳的不同置位實現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,實現自動抄表；一旦上位集中器發送斷電命令，單片機通過4線—16線數據輸出控制器74HC154的置位控制相應的SSR固態繼電器實現斷電，原理是通過光電耦合器MOC3061驅動IGBT的關斷。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內部使用1.8V工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設備;外部數字I/O接口使用3.3V電壓，這樣對于只有3.3V電源的設備，不需要額外的電壓轉換電路就能正常工作。CC2420射頻信號的收發采用差分方式傳送，其最佳差分負載是115+j180，阻抗匹配電路應該根據這個數值進行調整。如果使用單端天線則需要使用平衡/非平衡轉換電路，以達到最佳收發效果。CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SDF、FIFO、FIFOP、和CCA四個引腳表示收發數據的狀態;而處理器通過SPI接口與CC242O交換數據、發送命令等;CC2420通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式并實現讀／寫緩存數據、讀／寫狀態寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態可設置發射／接收緩存器。
3 軟件設計
電表系統的軟件設計包括主程序設計和通訊程序設計，在此只講主程序的設計，其流程圖如圖5所示。
系統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：單片機內輪抄計數器置01，MSP430F133對74LS150的ABCD四個控制端置0000位，此時引腳EA0對應的通道接通到MSP430F133的輸入端，單片機統計其在32s內積累的脈沖數。2s后，輪抄計數器加1為02，ABCD置1000位，EA1對應通道接通，進行相應用戶的計數積累脈沖的上抄，以此循環進行相應用戶的抄送，當輪抄計數器的數目=16時，完成總共16戶的上抄，將輪抄計數器的置01，進行下一輪循環的上抄。總體上講，整個電表系統32s為一個循環，對用戶用電量進行循環抄送，每10m將各用戶累加器單元統計的累積脈沖計算轉換為電量數據(用電量=脈沖數×16×儀表脈沖/功率輸出常數，因統計脈沖數是真實值的1/16)并附屬時間常數存儲到對應的存儲器單元，并且實時顯示最新10m內的用電量/用電費用，每1h末進行用電數據（用電量和對應的時間常數）的定時傳送，其二是電表數據的上傳和斷電的執行：啟動CC2420連入ZigBee局域網，成功后等待上層集中器命令，一旦網絡斷開立即重啟CC2420重新連入局域網絡；上層集中器下載的命令分為數據上傳和欠費斷電兩種，若是斷電命令，MSP430F133控制相應用戶的SSR斷開電源連接，成功后自動轉為待命狀態，若不成功，重復進行斷電操作直至操作成功。若是上傳命令，MSP430F133立即將累加器內積累脈沖轉化為電量數據附上時間常數存儲到對應的存儲器單元，然后將前1h末到此刻RAM內的存儲數據通過CC2420以ZigBee通訊的方式上傳到上位集中器。成功后自動轉入待命狀態。
4 結束語
采用了ZigBee通訊技術的多用戶智能電表是遠程自動抄表系統的硬件基礎和構成元素，一定數目的表和同樣采用基于CC2420的ZigBee通訊技術的集中器構成了中心結構的ZigBee局域通訊網絡，每一塊表與中心節點集中器數據交換，集中器將匯集的抄表數據上傳到遠程控制中心實現遠程自動抄表。在實驗室環境下利用MSPRF-430F2618-PK專業開發系統（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），易受外界電磁環境干擾的缺陷。可考慮采用最新的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結構，節省了系統成本。與當前使用有線通訊技術（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短距離范圍內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中具備無線傳感器網絡節點的功能，即其在抄表通訊網絡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技術相比，ZigBee技術基于免費的2.4GHz頻道，不需為此付出昂貴的通訊頻道租借費用。總之，低成本的ZigBee通訊技術與電表相結合，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”發展的要求。自動抄表是“智能家居”三表集抄系統的一個功能單元，ZigBee通訊技術作為“智能家居”中最有前途的通訊手段與前者的結合不僅是經濟效益最高的，也代表了以后電表的發展方向。
