曹健　陸紅燕

摘 要：為了研究ZIGBEE通訊下自動抄表系統(tǒng)，建立了實現(xiàn)ZIGBEE通訊方式的集中器設(shè)計，采用的是集總式的通信自動抄表系統(tǒng)，主要由抄表系統(tǒng)管理中心、集中器、網(wǎng)絡(luò)通訊以及終端等部分組成。硬件部分設(shè)計選擇了ARM作為控制中心，外圍接口則主要有：輸入輸出、存儲系統(tǒng)和通信接口部分。軟件設(shè)計部分考慮應(yīng)用的是uC/OSII這種免費(fèi)公開源代碼，設(shè)計了休眠、就緒、運(yùn)行、中斷、掛起等狀態(tài)。這一研究對于嵌入式系統(tǒng)與各種通信形式相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制等領(lǐng)域有一定的意義。

關(guān)鍵詞：ZIGBEE；自動抄表系統(tǒng)；ARM

1 引言

隨著上世紀(jì)80年代，大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，市場上相繼出現(xiàn)了很多穩(wěn)定性好、工作可靠的電能表，其直接推動了自動抄表技術(shù)的迅速發(fā)展。埃及在1992年開發(fā)的住宅電能監(jiān)視抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)了完整信息處理系統(tǒng)，這使抄表工作正式進(jìn)入到自動化的全新時代。國內(nèi)由于起步較晚，主流市場的工作人員還是以人工抄表為主，但是自動抄表技術(shù)發(fā)展的也以非常迅猛的姿態(tài)快速發(fā)展當(dāng)中。大量的高校和相關(guān)電力企業(yè)的研究人員都開始集中關(guān)注集中抄表系統(tǒng)的發(fā)展、探索。然而，基于ZIGBEE等通訊方式的集中器研究，依然處于一個起步和應(yīng)用發(fā)展緩慢的階段[1-2]。本文通過自行研究設(shè)計的集中器抄表設(shè)計，完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，這一研究對于自動抄表系統(tǒng)在國內(nèi)的快速發(fā)展會產(chǎn)生一定的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ZigBee技術(shù)

蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置等信息，這種肢體語言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達(dá)信息的方式。借此意義Zigbee作為新一代無線通訊技術(shù)的命名。igBee技術(shù)具有如下特點(diǎn)：低功耗、成本低、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全。ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法，各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

建立實現(xiàn)ZIGBEE、紅外等通訊方式的集中器設(shè)計，對于其高效的實現(xiàn)現(xiàn)場通訊具有顯著的作用。實踐結(jié)果表明，基于紅外等通信形式的集中器設(shè)計任務(wù)相對方便，只需通過API協(xié)議就能實現(xiàn)[3-4]。本文選擇相對復(fù)雜的ZIGBEE通訊方式進(jìn)行設(shè)計，其基本框架如圖1所示，采用的是集總式的通信自動抄表系統(tǒng)，主要由抄表系統(tǒng)管理中心、集中器、網(wǎng)絡(luò)通訊以及終端等部分組成。

ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)通訊中實現(xiàn)的，通過現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)中增加節(jié)點(diǎn)，如常見的GGSN（Gateway ZIGBEE Supporting Node，ZIGBEE網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）以及SGSN（Serving GSN，ZIGBEE服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)），其中ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中GSN是最為重要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。GSN是指具備移動路由管理和可實現(xiàn)連接各種類型的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，同時還應(yīng)能夠連到ZIGBEE寄存器。GSN是用來實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與移動終端間的格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送。GSN一般分為2中：SGSN（Serving GSN，服務(wù)GSN）、GGSN（Gateway GSN，網(wǎng)關(guān)GSN）。前一種主要是用于記錄移動終端的當(dāng)前位置信息和完成移動分組數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。后一種是起網(wǎng)關(guān)作用，即和多種不同的數(shù)據(jù)連接。故也有人將GGSN認(rèn)為是ZIGBEE路由器。利用ZIGBEE在實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組接受和發(fā)送的同時，還能降低服務(wù)成本，圖2就是ZIGBEE的應(yīng)用模型。

3 硬件設(shè)計

圖3為本文設(shè)計的主控電路，顯然這一電路課看成是外圍接口和中央處理器部分，設(shè)計的處理器選擇了ARM作為控制中心，外圍接口則主要有：輸入輸出、存儲系統(tǒng)和通信接口部分。

隨著嵌入式系統(tǒng)不斷應(yīng)用在工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，嵌入式芯片及其相應(yīng)產(chǎn)品的發(fā)展也必然成為這一領(lǐng)域發(fā)展的原動力。本文在選擇上述嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將主要討論圖4所示的ZIGBEE技術(shù)下的無線遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)。自動抄表系統(tǒng)是服務(wù)商（電力公司等）與用戶之間建立的雙向通訊通道，這一設(shè)計免除了人工抄表帶來的經(jīng)濟(jì)和人員消耗，還為用戶提供更全面的信息化管理的服務(wù)，通過改進(jìn)公司經(jīng)營水平、提供增值服務(wù)等手段更好地為用戶提供服務(wù)。

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分考慮應(yīng)用的是uC/OSII這種免費(fèi)公開源代碼，利用這一代碼可以很好的利用匯編語言實現(xiàn)硬件編程。設(shè)計的任務(wù)主要分為休眠、就緒、運(yùn)行、中斷、掛起等狀態(tài)。休眠是指任務(wù)存儲在內(nèi)存；就緒即任務(wù)已經(jīng)準(zhǔn)備完畢；運(yùn)行表示處理器正在運(yùn)行，中斷是指當(dāng)CPU給出命令時任務(wù)將暫停，掛起即等待事件。設(shè)計的集中器的主要是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，以及將接收到的信息上傳主站。程序設(shè)計時需要為ZIGBEE、RS485、232等通信建立對應(yīng)的通信任務(wù)和統(tǒng)一的管理任務(wù)。

5 小結(jié)

本文設(shè)計的了ZIGBEE通信下無線遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)。在搭建硬件平臺和設(shè)計軟件程序后，實現(xiàn)了集中器軟件的開發(fā)以及模塊化編。這一研究對于自動抄表系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展將產(chǎn)生一定的幫助和示范意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1]鄒寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計（第一版）.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

[2]馬維華.基于敵障檢鍘的新型集中抄表系統(tǒng)硬件設(shè)計.小型微型計算機(jī)系統(tǒng)，2004，25（4）：770-773.

[3]Etienne Moulin Measuring Reactive Power in Energy Meters[Jl Metering International.2002，10（1）：489-490.

[4]廣東省電網(wǎng)公司.廣東電網(wǎng)公司低壓電力用戶集中抄表系統(tǒng)集中器訂貨及驗收技術(shù)條件（試行），廣州：廣東省電兩公司.2006-5.16.