1、电表自动抄表系统设计图书分类号：密 级：摘要随着电子与计算机技术的发展，实现各种用户仪表的自动抄录即将成为现实。本文针对单位、小区的家庭和户电表和单位办公用电电表，结合普通电表的工作原理和实际工作环境，设计了一种实用的电表自动抄录系统。该系统具有成本低廉、工作性能稳定可靠、系统安装方便等特点。本文对基于ZigBee的电表无线抄表系统的硬件和软件进行了设计，重点对该系统的前端数据采集、数据通信方式、计算机软件等方面的设计进行了介绍，并对系统的通用性和可靠性进行了简要的分析。设计内容具体包括PROTEL原理图设计、C语言源程序设计、上位机源程序设计. 在此次设计过程中主要是先进行要求分析然后提出整
2、体设计方案，然后根据设计方案设计电路图，做出硬件电路，最后进行系统软件设计，其中软件设计用KEIL作为开发环境进行调试，上位机设计用VB作为开发环境作为开发环境。关键词：自动抄表系统；ZigBee；采集终端；C51Abstract With the development of electron and computer,automatic meter reading system(AMRS) will be put into reality.This article aims ta kilowatt_hour meter for house or for office.banded the
3、working principle and the real working conditions of mechanical kilowatt_hour meter,I designed an automatic kilowatt_hour meter reading system.The strong point of this system is:low cost,stable working and easy to install. The article gives an all-around design of this system. It expatiates on desig
4、ns of data collection,data communication mode and computer software.It introduces the generality and the reliability of this system in brief.KEYWORDS：Automatic Meter-Reading System ZigBee Terminal C511 绪论1.1 概述目前，我国对用电量的查抄方式正由传统的人工操作向网络化、智能化发展，经历了人工手抄、IC卡预付费、过程自动抄表各个阶段。其中，自动抄表按通信介质的不同可分为有线和无线两种方式。IC
5、卡预付费采用先付费后使用的方式，对管理部门较为有利，同时不需要现场抄表，部分解决了人工抄表带来的问题，但实际操作过程中扔存在一些缺陷：IC卡直接与用户接触，易造成人为破坏;不能完全解决窃电及表具损坏、故障问题;不能实时获得用户的用电信息1。有线自动抄表系统利用电话线网络、电力线网络、RS485总线网，实现实时抄表、实时监测，可检测出设备损坏、非法使用等。但是也存在一些问题：布线复杂，施工周期长;工程安装及维护成本高;系统难以扩展长级和与其他网络兼容性差等2。无线自动抄表系统采用无线通信技术和计算机网络技术等自动获取、处理户用电信息。其具备有线抄表的优点，另外还能降低组网成本和网络维护难度，提高
6、抄表的准确性和实时性，使管理部门能及时准确地获得用户数据。随着无线通信技术的不断发展，市场上出现了许多面向抄表系统的无线解决方案。目前比较流行的几种是：基于点对点无线数传模块、基于GPRS/CDMA数字蜂窝网络、基于无线局域网技术或者是其中几种方式的组合。12 本课题的现实意义近年来出现了一种新的低成本无线组网技术ZigBee技术，它是一种近距离、低功耗、低成本、低速率的无线局域网通讯技术。目前很多国际知名IC制造商推出阵支持ZigBee协议的RF芯片，价格可以控制在50元以下。这些RF芯片的平均工作电流仅有10多毫安，它的功耗还不于8位单片机。利用ZigBee技术组建的无线网络所表现出来的低
7、成本、低功耗的特点使它在自动抄表系统的市场上有着强大的竞争力，成为未来无线自动抄表系统的发展方向3。1.3国内外自动抄表现状远程电力抄表系统在国内外现阶段的研究现状而言,主要是从采集和传输两个方面为重点进行的4。目前,电力系统自动抄表方式主要有:485总线、无线、红外、普通电力载波、扩频电力载波、零相超窄带(TURTLE)、超窄带极低频(UNB)及工频过零调制(PFC)跨变压器台区方式等。其中,使用电力线本身作为传输介质的方式由于不用重复线路投资,不产生新的使用费等特点,成为研究的重点。在国外，载波通信技术在上个世纪30年代就起步了,60年代传到我国,80年代我国已经可以自主生产高压载波机。但
8、低压载波信道,由于技术上存在难以逾越的障碍,一直属于通信禁区。近年随着电子技术与通信技术发展,国内外大批资金的注入,科研工作取得重大突破,这就为低压电力载波通信技术的成熟创造了条件。在国外,远程电力抄表系统的研究比国内要早十几年,应用也很广泛,目前已经在向利用电力线载波通信实现家庭自动化的方向上发展了。在电力线载波通讯方面,已经研究提出了统一的由国际电工委员会采纳作为IEC62056国际标准的电能表通信协议DLMS/COSEM(Device anguageMessage Specification/Companion Specification forEnergy Metering)。这就使远
9、程电力抄表系统的发展更加规范和具有互操作特性,使远程电力抄表系统展更加迅速和有了统一的方向。在国内,远程电力抄表系统的研究,目前处于理论转化为实际应用的关键时期,同时也在积极开展讨论制定我国的低压载波抄表系统国家标准的工作。远程集抄系统在我国已经发展了十几年,即使包括电能表、水表、煤气表,总装终端也就不超过200万台,这相对我国接近3亿台的市场,太微不足道了!远程抄表系统的发展已有十多年了,但实际应用状况却不如人意,许多已安装自动抄表系统的楼盘由于计量不准确,最后不得不又返回到人工抄表的老路上来,虽然产生这种现象的因素是多方面的,但仔细分析,根据现在表具的生产原理出现这种情况是必然的6。1.4
10、 本章小结在本章中，主要介绍了基于ZIGBEE的电表自动抄表系统的设计的背景以及国内外研究的现状，看到了该课题潜在的价值、意义和巨大的市场。2 ZigBee技术简介2.1 ZigBee简介ZigBee是一种低速无线个域网技术，它适用于那些数据通信量不大，数据传输速率要求相对较低，节点分布范围较小，但对数据的安全性和可靠性又有一定要求，而且成本和功耗非常苛刻的场合11。无线通信需要占用一定的频段，在我国频段是一种政府管理的资源，多数频段的使用必须得到政府的许可。ZigBee联盟选用了无须许可即能使用的“免注册”工业、科学、医疗（ISM）频段，使用户能够自由地使用ZigBee设备。我国使用的Zig
11、Bee设备全都工作在2.4GHz频段。在本频段里共分配了16个信道，每个信道的宽度为6MHz，数据传输速率最高可达250kb/s。免注册的ISM频段使ZigBee设备的使用更加方便、灵活，而较多的信道提高了ZigBee设备的可用性和灵活性，即使在同一区域内存在多个不同的ZigBee网络也不会出现相互干扰的问题12。相对于其他的网络技术，ZigBee网络协议较为简单，可以在运算和储存能力都非常有限的MCU上运行，非常适用于那些对成本要求苛刻的场合。目前很多厂商已经推出了基于51内核MCU的单芯片ZigBee解决方案，这对于一些需要布置大量无线传感器网络节点及家庭智能家具等领域尤为重要。因为无线通
12、信是共享信道的，所以优秀的无线通信技术必须很好地解决网络使用信道时的冲突问题，即媒体访问控制层采用IEEE802.15.4协议，使用带时隙或不带时隙的载波检测多址访问与冲突避免机制的数据传输方法，并与确认和数据检验等安全措施相结合，有效地保证了数据的安全传输。为了提高系统的灵活性并支持在资源相对匮乏的MCU上运行，ZigBee设备支持3种安全模式，其最低的安全模式实际上无任何安全措施，以达到占用最少资源的目的，而最高的安全模式采用高级加密标准（AES）对称密码和公开密钥。低功耗是ZigBee设备最重要的特点之一。为此，ZigBee协议引入了几种降低功耗的方法。其中最主要的方式是采用间接数据传输
13、，即数据的传输的由功能简单、可用电池供电的从节点发起的，而不是由主节点轮询。这样就可实现在不需要数据传输的大部分时间，从节点可以关闭收发设备，工作在休眠状态，从而最大限度地降低功耗13。ZigBee设备既可以组建支持星形结构网络，也可组建军对等拓扑的网络网络;既可以是单跳数据传输也可以是通过路由器实现多跳的数据传输。ZigBee设备可以使用64位的IEEE标准地址，也可以使用指配的16位短地址。在一个单独的ZigBee网络中，最多可以容纳65535个设备。2.2 ZigBee协议栈架构 2.2.1 ZigBee协议栈结构ZigBee协议采用IEEE802.15.4无线标准，分为物理层（PHY）
14、、介质介入控制层（MAC）、网络层（NWK）和应用层（APL），其中IEEE只制定了底层的物理层和介质介入控制层标准，网络层和应用层标准由ZigBee联盟制定。在应用层结构中又包含应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）以及制造商制定的应用对象。ZigBee协议结构如图2-1所示。图2-1 ZIGBEE协议栈结构 ZigBee的物理层通过定义使物理通信信道与MAC层衔接，提供该层的数据库并对其进行管理。主要功能包括激活和休眠射频收发设备，对信道能量进行检测、对数据包的接收情况即链路质量批示、空闲信道评估和数据收发等。其数据格式如表所示，表中的PSDU可携带MAC层帧信息。同时，物
15、理层将通信频率娄为2.4GHZ（全球通用频段）和868/915M（欧洲/美国频段）两种。后者主要为了规避与其它2.4GHZ通信设备的互扰，但都使用ISM免费频段，采用DSSS直接序列扩频。DSSS扩频是通过伪噪声对用信号的相位进行OQPSK（偏移四相相移刍控）调制，I/Q信号间相位偏移度为/90度，将调制后的信号再与载波相乘实现混频，使射频信号频谱扩展到伪噪声频谱相同的带宽，从而将信号传输所需的能量降到最低限度。在ZigBee的2.4GHZ频段共定义了间隔为5MHZ的16个信道。 MAC层：MAC层处于网络层与物理层之间。作为两者间的接口，MAC层通过两个接入点（SAP）分别访问MAC层内的公
16、共部分子层和管理实体，并向上层提供数据服务和管理功能。其数据格式由包含帧控制、序列号和地址域的帧头和帧载荷（长度可变）、帧尾校验组成。其结构如表所示。MAC层主要实现通信信道的建立、保持、撤消，负责信道的链接与控制，对帧数据的传送质量进行确认并提供校验功能、请求重发功能、时隙和广播管理。在MAC层与物理层之间的无线信道接入过程中，最显著的特点是在信道接入方式上采用CSMACA的免冲突载波检测多址技术。在IEEE802.15.4CSMA/CA规范中，网络协调器会给网络中所有可感应节点发出信标，若设备有数据需传送，则会向网络协调器发送传送请求，由于在某段时间内只能有一个设备与雷射器进行通信，因此所
17、有需要通信的节点就采用CSMA/CA竞争机制获得信道使用权。所有数据待传节点持续监测目前的无线传输媒体是否为空闲状态，若空闲，这些设备会产生一个随机倒退延迟时间，错开这些设备因同时发送数据而造成碰撞的可能。若产生碰撞，则稍后一段时间自动重传。IEEE802.15.4规定，经过4次后退延时后信道仍然忙，则退出此次发送以节省电能消耗。 网络层：网络层由数据实体（NLDE）和管理实体（NLME）组成，通过各自上层接口为应用层提供服务。管理实体利用与数据实体间的接口，实现对网络信息库（NIB）的管理，并完成网络管理任务。网络层功能主要包括网络的建立、路由选择、设备发现和寻址、网络层协议数据数据单元（N
18、PDU）形成以及通信过程的安全性。利用Request、Indication、Confirm原语支持对等实体间网络层数据单元（NPDU）的传输，实现相应的服务功能。 应用层：应用层包括应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO，包括ZDO管理平台）和厂商定义的应用对象组成。应用支持子层（APS）为网络层（NWK）和应用层（APL）之间提供接口，使ZDO和厂商定义的应用对象都可以使用一组服务来实现，其功能为建立维护设备绑定表、进行绑定设备间的信息传送、确定应用层数据的帧格式和类型，并为ZDO提供数据服务。ZDO作为对原语的应用，实现设备与服务发现、网络与绑定管理、安全性、节点管理功能。厂
19、商定义的应用对象则应由所提供的具体应用描述来实现7。 2.2.2 ZigBee网络中的设备ZigBee是以一个个独立工作的无线节点为依托，这些节点称为设备，通过无线通信组成网络。它们在网络中的功能并非完全相同。网络中的设备按照功能的不同可能分为两类：具有完整功能的全功能设备和只具有部分功能的精简功能设备。FFD实现了ZigBee协议栈的全集，而RFD根据特定的应用需求只实现了ZigBee完整协议栈中的一部分。其中RFD的功能非常简单，可以用最低端的MCU实现，在ZigBee网络里只能作为不需要发送大量数据的终端设备，往往同一时间只册他某一个特定的FFD进行通信。FFD可以和RFD设备通信，也可
20、以和其他的FFD设备通信。 ZigBee联盟根据设备在网络中承担的任务不同把它们分成三种类型：ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。其中ZigBee协调器是ZigBee网络的控制中枢，负责整个ZigBee网络的路由建立和存储。一个ZigBee网络中有且只有一个协调器，协调器必须是FFD。ZigBee路由器也是FFD，它通过发送信标的方式提供同步服务，当网络中的协调器退出会发生故障时，路由器可以担当起协调器的角色。ZigBee网络中除协调器和路由器之外的其他设备都是ZigBee终端设备，它们可以是FFD也可以是RFD。2.3 本章小结在本章中，主要介绍了ZIGBEE技术的
21、特点、ZIGBEE的协议栈架构以及存在于ZIGBEE网络中的设备。有了这些知识作为基础，才能进行该课题的下一步研究工作，这是后面的研究工作能够顺利完成的重要保证。3 系统硬件实现 基于ZIGBEE的电表无线抄表系统的设计是为了适应市场的需要和发展的趋势而研究和设计的。而为了实现设计的需要，我们花费了大量的时间来搜集相关的资料。在本章，主要介绍了基于ZIGBEE的电表无线抄表系统主要用的芯片MCS51、CC1100的相关知识以及硬件的具体实现。3.1系统概述本次设计的基于ZIGBEE的电表无线抄表系统主要由用户电表、ZIGBEE发送节点、ZIGBEE接收节点、上位机组成。系统的工作原理是利用低压
22、电力线或者RS-232总线将电表数据由采集器传输到ZIGBEE发送节点，然后发送节点将信号定时或实时地传送到ZIGBEE接收节点，最后通过串口线将数据传送至上位机显示出来。其中，着重设计了无线收发模块以及接收模块与管理计算机之间的通信14。系统结构如图3-1所示。图3-1无线抄表系统基本结构图3.2 硬件介绍 基于ZIGBEE的电表无线抄表系统的硬件实现主要和MCS51芯片、CC1100芯片有密切的关系。这里对他们做一些简要的介绍。3.2.1 MCS51单片机3.2.1.1 MCS-51单片机的CPU组成MCS51的CPU由运算器和控制器组成。运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心
23、，再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。累加器ACC是一个八位寄存器，它是CPU中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时，累加器ACC往往在运算前暂存一个操作数（如被加数），而运算后又保存其结果（如代数和）。寄存器B主要用于乘法和除法操作。标志寄存器PSW也是一个八位寄存器，用来存放运算结果的一些特征，如有无进位、借位等。 （1）进位标志CY（PSW7）。它表示了运算是否有进位（或借位）。如果操作结果在最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为1，否则为0。 （2）辅助进位标志AC。又称半进位标志，它指两个八位数运算低四位是否有半进位，即低四
24、位相加（或减）是否进位（或借位），如有AC为1，否则为0。 （3）溢出标志位OV。MCS51反映带符号数的运算结果是否有溢出，有溢出时，此位为1，否则为0。 （4）奇偶标志P。反映累加器ACC内容的奇偶性，如果ACC中的运算结果有偶数个1（如11001100B，其中有4个1），则P为0，否则，P=1。 控制器是CPU的神经中枢，它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址指针DPTR及程序计数器PC、堆栈指针SP等。这里程序计数器PC是由16位寄存器构成的计数器。要单片机执行一个程序，就必须把该程序按顺序预先装入存储器ROM的某个区域。单片机动作时应按顺序一条条取出指令来加以执行。因此，必
25、须有一个电路能找出指令所在的单元地址，该电路就是程序计数器PC。当单片机开始执行程序时，给PC装入第一条指令所在地址，它每取出一条指令（如为多字节指令，则每取出一个指令字节），PC的内容就自动加1，以指向下一条指令的地址，使指令能顺序执行。只有当程序遇到转移指令、子程序调用指令，或遇到中断时（后面将介绍），PC才转到所需要的地方去。8051 CPU指定的地址，从ROM相应单元中取出指令字节放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代码被译码器译成各种形式的控制信号，这些信号与单片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定时与控制电路中相结合，形成按一定时间节拍变化的电平和时钟，即所谓控制信息，在CPU
26、内部协调寄存器之间的数据传输、运算等操作。3.2.1.2 MCS-51单片机的存储器 存储器是单片机的又一个重要组成部分，每个存储单元对应一个地址，如256个单元共有256个地址，用两位16进制数表示，即存储器的地址（00HFFH）。存储器中每个存储单元可存放一个八位二进制信息，通常用两位16进制数来表示，这就是存储器的内容。存储器的存储单元地址和存储单元的内容是不同的两个概念，不能混淆。 （1）程序存储器程序是控制计算机动作的一系列命令，单片机只认识由“0”和“1”代码构成的机器指令。如用助记符编写的命令MOV A，20H，换成机器认识的代码74H、20H：（写成二进制就是01110100B
27、和00100000B）。在单片机处理问题之前必须事先将编好的程序、表格、常数汇编成机器代码后存入单片机的存储器中，该存储器称为程序存储器。程序存储器可以放在片内或片外，亦可片内片外同时设置。由于PC程序计数器为16位，使得程序存储器可用16位二进制地址，因此，内外存储器的地址最大可从0000H到FFFFH。8051内部有4k字节的ROM，就占用了由0000H0FFFH的最低4k个字节，这时片外扩充的程序存储器地址编号应由1000H开始，如果将8051当做8031使用，不利用片内4kROM，全用片外存储器，则地址编号仍可由0000H开始。不过，这时应使8051的第31脚（即EA脚）保持低电平。当
28、EA为高电平时，用户在0000H至0FFFH范围内使用内部ROM，大于0FFFH后，单片机CPU自动访问外部程序存储器。 （2）数据存储器单片机的数据存储器由读写存储器RAM组成。其最大容量可扩展到64k，用于存储实时输入的数据。8051内部有256个单元的内部数据存储器，其中00H7FH为内部随机存储器RAM，80HFFH为专用寄存器区。实际使用时应首先充分利用内部存储器，从使用角度讲，搞清内部数据存储器的结构和地址分配是十分重要的。因为将来在学习指令系统和程序设计时会经常用到它们。8051内部数据存储器地址由00H至FFH共有256个字节的地址空间，该空间被分为两部分，其中内部数据RAM的
29、地址为00H7FH（即0127）。而用做特殊功能寄存器的地址为80HFFH。在此256个字节中，还开辟有一个所谓“位地址”区，该区域内不但可按字节寻址，还可按“位（bit）”寻址。对于那些需要进行位操作的数据，可以存放到这个区域。从00H到1FH安排了四组工作寄存器，每组占用8个RAM字节，记为R0R7。究竟选用那一组寄存器，由程序状态字PSW中的RS1和RS0来选用。在这两位上放入不同的二进制数，即可选用不同的寄存器组。 （3）特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFR）的地址范围为80HFFH。在MCS51中，除程序计数器PC和四个工作寄存器区外，其余21个特殊功能寄存器都在这SFR块中。其中5
30、个是双字节寄存器，它们共占用了26个字节。特殊功能寄存器反映了8051的状态，实际上是8051的状态字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。这些特殊功能寄存器大体上分为两类，一类与芯片的引脚有关，另一类作片内功能的控制用。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是P0P3，它们实际上是4个八位锁存器（每个I/O口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。MCS51共有P0P3四个这样的并行口，可提供32根I/O线，每根线都是双向的，并且大都有第二功能。其余用于芯片控制的寄存器中。3.2.1.3 MCS-51单片机的指令系统 在MCS51单片机的指令系统里，共有7种
31、寻址方式，现介绍如下： （1）立即寻址：操作数就写在指令中，和操作码一起放在程序存贮器中。把“”号放在立即数前面，以表示该寻址方式为立即寻址，如mov A,20H。 （2）寄存器寻址：操作数放在寄存器中，在指令中直接以寄存器的名来表示操作数地址。如MOV A，R0就属于寄存器寻址，即R0寄存器的内容送到累加器A中。（3）直接寻址：操作数放在单片机的内部RAM某单元中，在指令中直接写出该单元的地址。如前例的ADD A，70H中的70H。 （4）寄存器间接寻址：操作数放在RAM某个单元中，该单元的地址又放在寄存器R0或R1中。 如果RAM的地址大于256，则该地址存放在16位寄存器DPTR（数据指
32、针）中，此时在寄存器名前加符号来表示这种间接寻址。如MOV A， R0。 （5）变址寻址：指定的变址寄存器的内容与指令中给出的偏移量相加，所得的结果作为操作数的地址。如MOVC A，A+DPTR （6）相对寻址：由程序计数器中的基地址与指令中提供的偏移量相加，得到的为操作数的地址。如SJMP rel （7）位寻址：操作数是二进制中的某一位，其位地址出现在指令中。如SETB bit MCS51的指令系统按功能分有：数据传送类、转移指令、算术运算类、逻辑运算类、和十进制指令及一些伪指令。 3.2.2 CC1100芯片3.2.2.1 芯片概述CC1100 是原Chipcon公司推出的一种低成本、真正单片的超高频无线收发器, 为低功耗无线应用而设计。整个应用电路的无线频率主要设定在315MHz、433MHz、868MHz 和915MHz 四个ISM (工业、科学和医学) 频段上, 可以容易地设计300MHz348MHz、400M
