摘 要 智能电网的发展让智能电表进入每家每户，无线抄表系统受到集中重视，ZigBee技术作为一种短距离无线通信技术，具有低功耗和低成本优势，无线抄表系统利用ZigBee技术进行设计具有巨大应用空间。基于此，本文研究了在ZigBee技术基础上设计的无线抄表系统，借助于ZigBee技术开拓无线抄表系统的应用市场。
关键词 ZigBee技术；无线抄表系统；硬件设计；软件设计
引言
我国电网加快了智能化脚步，智能电网建设已经成为我国一项重要的发展战略，智能电表作为智能电网的重要设备，为无线抄表系统的运行提供了良好基础。ZigBee技术凭借其低功耗和低成本优势，和无线抄表系统结合起来，完善无线抄表系统低功耗、低成本、实时性拓展性能。因此，本文研究在ZigBee技术基础上设计无线抄表系统具有现实意义。
1 总体设计
本文在ZigBee技术基础上进行无线抄表系统的设计，选择470MHz～510MHz作为工作频段，保证系统可以提供低功耗和实时性服务。无线抄表系统包括表头、服务器、抄表设备以及网关设备。要求系统可以支持IEEE802.15.4g标准，利用无线通信模块和485总线连接，向电表供电，保证系统低能耗运行。通过无线抄表系统的应用，保证为用户提供便捷服务，方便于电力公司的高效管理。
2 硬件设计
本文设计使用ARM微控制器STM32F103和CC1100E射频收发器。在硬件系统上，主要包括通信模块、功能模块两部分。
2.1 无线通信模块
无线抄表系统的重点在于集中器可以抄读电表数据，设备内要嵌入无线通信模块，无线通信模块作为硬件系统的核心。通信模块包括微控制器以及收发器两个部分，同时其他单元模块作为辅助。微控制器有着多个外部接口，为后续连接IO、UART以及SPI做好准备。微控制器接口是数据输入和驱动接口，可以让电表应用过程中实现精准有序的读数和控制。核心电路包括RF、MCU、稳压器、显示模块、稳压器以及存储器等。
2.2 功能模块
（1）MCU电路。本系统使用STM32F103RCT7，包括64引脚、256K容量以及LOFP封装，可以满足工业级别温度使用要求。通信模块通过NRST引脚启动，是异步复位脚，高电平状态，模块可以保持正常工作，变为低電平时，要进行复位操作，重设内部寄存器和SRAM。由于寄存器使用VBAT脚进行供电，数据不会出现改变。设计轻触开关构成复位电路，由于NRST具有施密特的功能，一旦输入电源未超过1V时，系统会自动启动复位电路。该设备有三种启动形式，取决于BOOT0和BOOT1，由电平状态决定启动模式。本设计利用用户闪存启动，有PB12、PB13、PB14决定显示模块。网络状态下，二极管呈现出绿色，在接收状态下，二极管显示红色，发送状态下，呈现出绿色。
（2）RF电路。使用CC1100E射频芯片相对简单，只需要安装少量组件，引脚之间要连接晶体和负载电容。在指定频率下出现震荡，造成负载电容和实际情况存在一定差异。晶体振荡器形成合成器频率和数字部件、ADC的时钟[1]。设备内置射频收发器，不需要增加射频芯片，可以使用引脚和天线实现连接。系统实际应用过程中，想要远距离传输，可以在芯片前端利用引脚增加功放芯片。
该芯片输出功率最大值只能达到10dBm，接收灵敏度十分有限，为了让系统远距离传输工作得以实现，在芯片前端增加功放芯片。不额外增设通信模块，增加通信距离。该芯片具有低功耗、低成本的优势，在1GHz以下频段可以得到应用。芯片包括功率放大器、低噪放大器、射频器件以及开关。
（3）降压器电路。使用CMOS降压转换器，可以提供高达2A输出电流，集成了脉宽调制电路、保护电路、软启动电路、振荡器以及电压调节器等。降压器作为保护装置，可以在芯片温度过高、电路短路以及电流电压过大等情况下展开保护。
（4）稳压器电路。稳压器可以对电压进行调节，让电压保持在电路需要的范围中，保证通信模块可以正常使用。本设计选择稳压器芯片RP170N331B，稳压器给存储器、数字外设以及内核提供稳定的1.8V工作电压，保证正常功耗运行。若CC1100E中CSN引脚是低电平，启动稳压器和振荡器。CSN转变为高电平时，停止工作。
3 软件设计
3.1 软件流程
该系统通信程序建立在ZigBee协议基础上，使用ZigBee的OSAL系统，启动系统后，通信模块先初始化功能模块，根据需要设置显示信息，执行系统后，进入OSAL循环[2]。
3.2 抄表网络
利用集中器建立通信ZigBee网络，电表设备收到集中器许可进入网络，集中器将负责网络维护和管理。在NWK目录下建立ZigBee网络，设定短地址为Ox0000。建立网络后，设备加入网络要加入信标帧，调用函数。集中器收到电表命令，判断电表是否存在，得到肯定结果允许电表加入。
3.3 功能模块程序
（1）集中器程序设计。集中器接口协议使用USART进行数据的传送，每次只能传送16位数据，使用函数对数据加以处理。向设定GWIFState参数，利用switch语句定义数组，储存受到的数据。若GWIFState数值为0，将数据储存在对应数组中。如果数据是协议帧初始字符，要设置在GWIF_STATE_1数组中。
（2）通信模块程序设计。使用路由主动形式抄表，集中器模块根据节点短地址轮询，在ZigBee网络下接收数据，将数据集中上报集中器，集中器抄读电表。主要抄读电流数值、电压数值、正向有功、反向有功以及有功功率等数据。集中器先抄读00014节点上数据，进入抄读流程后，若通信数据和本地信道出现延时，集中器模块发送抄读请求，集中器按照轮询方式发布命令，对抄读节点数据以及短地址进行抄读。
4 结束语
综上所述，使用ZigBee技术进行无线抄表系统设计，需要使用STM32F103RCT7、CC1100E射频芯片作为硬件系统基础。依照ZigBee技术特点和要求进行软件设计。在IAREW开发条件下，建立抄表系统网络，最终要利用屏蔽箱、射谱仪等设备检测抄表系统功能，利用串口调试工具打印数据，完善系统设计。
参考文献
[1] 张雪.基于ZigBee网络的远程电力抄表系统的研究与实现[D].沈阳：辽宁大学，2017.
[2] 任爽.基于ZigBee与GPRS技术的机井通电的采集抄表系统设计[D].聊城：聊城大学，2017.
