基于無線網(wǎng)絡的遠程電力抄表系統(tǒng)的設計

利用ZigBee近程雙向無線網(wǎng)絡和GPRS分組交換系統(tǒng)，設計了一個遠程電力抄表系統(tǒng)。對單元樓道內(nèi)住戶的電表數(shù)據(jù)采用ZigBee網(wǎng)絡收集，而從單元樓到電力公司抄表中心的遠程數(shù)據(jù)傳送則由GPRS來完成。具有簡單、易維護及管理方便等特點。

系統(tǒng)總體架構(gòu)
系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括：終端模塊、網(wǎng)關模塊和遠程服務器三部分。在一個局部范圍內(nèi)采用ZigBee的無線數(shù)據(jù)傳輸技術，將各個電表通過通信口與Zigbee RFD（簡化功能設備））模塊進行有線的連接通信，構(gòu)成一個終端模塊，根據(jù)路由算法選擇最優(yōu)的通信路徑，把電表數(shù)據(jù)收集到一個ZigBee/GPRS網(wǎng)關中，然后借助GPRS的遠程無線通信技術，把獲得的數(shù)據(jù)信息送到遠程的服務器，同時，遠程的服務器可訪問和控制任何一個ZigBee網(wǎng)絡中的設備，來實現(xiàn)遠程控制的功能。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

硬件設計
1 終端模塊設計
終端的處理器模塊和無線通信模塊采用一片CC2430芯片。CC2430是TI公司生產(chǎn)的新一代2.4GHz射頻系統(tǒng)單片機，片內(nèi)整合了RF收發(fā)器，增強型8051MCU、64KB的Flash內(nèi)存、8KB的RAM、2個USART等大量電路，只需極少的外圍電路即可實現(xiàn)信號的收發(fā)功能。其硬件圖如圖2所示。電路中的非平衡變壓器由電容C4和電感L1、L2、L3以及一個PCB微波傳輸線（兩個等效的λ/2電阻）組成，整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。系統(tǒng)只需外接一片MAXIM公司的MAX3485芯片，進行UART和RS-485的電平轉(zhuǎn)換，以完成和電表的通信。

圖2 終端模塊硬件原理圖

注意，系統(tǒng)使用3V紐扣電池供電，功耗很低（接收數(shù)據(jù)時為27mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時為25mA）。MAX3485也是低功耗芯片，和CC2430的電壓等級兼容。

2 網(wǎng)關節(jié)點設計
網(wǎng)關節(jié)點主要芯片包括一片CC2430和一片MC35i。MC35i是西門子公司生產(chǎn)的新一代GSM/GPRS雙模模塊，支持數(shù)據(jù)、短信、語音和傳真業(yè)務，采用低功耗設計，支持電壓范圍3.3～4.4V，電流消耗僅為3.0mA（睡眠）/10.0Ma（閑置）/300mA（通話，最高2.0A）/100μA（掉電），特別是MC35i的GPRS永久在線功能，提供了最快的數(shù)據(jù)傳輸速率。

CC2430完成Zigbee網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的收集、存儲。MC35i通過GPRS網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程服務器上，同時，接收和解析從遠程服務器上傳來的命令信息，來控制整個Zigbee網(wǎng)絡。網(wǎng)關節(jié)點還擴展了一片128×64點陣的LCD液晶模塊來完成網(wǎng)絡中信息的顯示。根據(jù)需要，還可以外擴一定容量的Flash以滿足存儲程序和數(shù)據(jù)的需要。外接的RS232接口，支持程序的下載和調(diào)試。其硬件框圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關節(jié)點硬件框圖

由于系統(tǒng)的整體硬件原理圖較大，在此省略。

軟件設計
ZigBee網(wǎng)絡具有自組織和自管理的功能。網(wǎng)絡中的節(jié)點采用的是動態(tài)地址分配的機制。軟件設計主要包括終端模塊的嵌入式軟件部分、網(wǎng)關節(jié)點軟件部分以及服務器的管理軟件。