采用智能電表的居民用戶無線自動抄表系統(tǒng)

1引言

傳統(tǒng)的手工抄表方式費時、費力且了遠程自動抄表系統(tǒng)。居民用戶集中抄表系統(tǒng)在國內(nèi)已發(fā)展了十多年，但目前仍未大面積推廣應用。主要原因有以下幾點：

(1)抄表集中器與抄表采集器間通信存在問題：①采用有線的RS-485總線或現(xiàn)場總線存在布線不方便、易受自然及人為因素影響且維護工作量大等缺點;②集中器與采集器間采用電力線載波通信方式，由于非線性負荷的大量使用，對電力線載波特別是擴頻電力線載波信號產(chǎn)生負面影響，使其數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定;③集中器與采集器間采用傳統(tǒng)的430MHz無線通信方案，自己編制軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡路由及網(wǎng)絡組織的通信協(xié)議，其穩(wěn)定性與可靠性得不到保障。

(2)試運行暴露出的技術問題，特別是系統(tǒng)的抗干擾問題，因后期使用的運行維護跟不上無法及時反饋到研制單位，造成系統(tǒng)沒有及時改進完善。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡通信采用免申請的2.4GHz通信頻段，非路由情況下通信距離可達500m。其所采用的網(wǎng)絡協(xié)議具有自動組織網(wǎng)絡、自動路由、網(wǎng)絡自愈等功能?？山鉀Q集中器與采集器間的通信問題。在設計時充分考慮硬件的電磁兼容問題、軟件的容錯能力，按照標準進行設計和生產(chǎn)，加強對試運行系統(tǒng)的跟蹤改進，可大大提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2系統(tǒng)結構

系統(tǒng)由主站及裝設在居民小區(qū)的單相智能電表、采集器、路由器和集中器構成。主站與各集中器間的通信方式為GPRS。集中器與采集器間采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡通信，路由器在集中器與采集器間起數(shù)據(jù)路由作用。采集器與智能電表間采用RS-485總線通信。系統(tǒng)結構如圖1所示。

系統(tǒng)主站采用交換式以太網(wǎng)組網(wǎng)，可設置在小區(qū)物業(yè)管理處或電力公司大樓。主站由前置通信機、Web服務器、數(shù)據(jù)服務器、GPS衛(wèi)星對時系統(tǒng)及工作站等構成。其中前置通信機申請配置固定IP地址，采用移動通信公司提供的2M光纖DDN專線，與GPRS網(wǎng)絡相連。前置通信機與各集中器進行雙向數(shù)據(jù)通信。前置通信機接收集中器發(fā)送的電能量及相關數(shù)據(jù)，經(jīng)解析后轉存入數(shù)據(jù)服務器;也可發(fā)送命令到各集中器。前置通信機還實現(xiàn)對各集中器的遠程維護。Web服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁發(fā)布，達到系統(tǒng)分析結果數(shù)據(jù)電力公司內(nèi)共享的目的。數(shù)據(jù)服務器用于存放歷史數(shù)據(jù)，并進行分析和統(tǒng)計。數(shù)據(jù)服務器還實現(xiàn)對集中器，采集器及智能電能表、居民用戶等臺帳的完整準確管理。工作站實現(xiàn)對主站系統(tǒng)及集中器和采集器的維護工作，也可有權限地查看、管理主站系統(tǒng)有關數(shù)據(jù)。GPS衛(wèi)星對時系統(tǒng)，實現(xiàn)各智能電表、采集器、集中器及主站系統(tǒng)時間的一致性和正確性，提供電能量數(shù)據(jù)同時性的保障。

3硬件

3.1采集器硬件

采集器通過RS-485總線最多掛接32臺單相智能電表。采集器實現(xiàn)的主要功能有：實現(xiàn)對智能電表的小時凍結、日凍結、月凍結和瞬時電量等數(shù)據(jù)的采集及存儲;記錄與各電表間的通信狀態(tài);記錄各種事件;對電表進行對時;響應集中器的數(shù)據(jù)要求及參數(shù)設置命令。采集器采用Microchip公司的16位單片機PIC24FJ64GA002為CPU，擴展4M串行Flash數(shù)據(jù)存儲器。采集器硬件結構如圖2所示，CPU帶2個UART接口，1個經(jīng)RS-485接口芯片MAX1487并隔離后與智能電表通信，1個用于實現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡通信。CPU還外擴了掉電檢測、紅外接口、時鐘等外圍電路。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡通信實現(xiàn)的方案有：內(nèi)置2.4GHz通信接口的CPU;CPU加外置2.4GHz通信接口芯片;CPU加外置2.4GHz通信接口模塊等3種。3種方案均可采用ZigBee Pro協(xié)議棧構建Mesh網(wǎng)。前2種方案的無線通信硬件設計及通信協(xié)議棧移植等研發(fā)工作量大，需要具有高頻設計方面的經(jīng)驗，研發(fā)周期長。采用方案3，CPU通過UART接口與ZigBee模塊交換數(shù)據(jù)，無線傳感器網(wǎng)絡的組建、數(shù)據(jù)路由、網(wǎng)絡自愈等功能由帶有CPU的ZigBee模塊實現(xiàn)。

這樣采集器的軟件和硬件設計就較為簡單。選用Digi公司帶U.F.L天線的增強型無線通信模塊XBeePR0 ZB為2.4GHz無線通信接口，外接5dB全向天線。該模塊具有基于Mesh網(wǎng)的固件XB24-ZB，支持ZigBee Pro協(xié)議棧，體積小，功能強大，性能穩(wěn)定，價格適中。XBee PR0 ZB模塊功耗為60mW(+18dBm)，傳輸距離可達500m。模塊通過UART接口與采集器CPU交換數(shù)據(jù)。設計用到模塊的數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)輸入、狀態(tài)指示以及電源引腳。

3.2集中器及路由器硬件

路由器僅由無線通信模塊及電源兩部分構成?？紤]到通信距離問題，路由器及集中器的無線通信模塊均選用增強型無線通信模塊XBee Pro ZB模塊，U.F.L天線，外接5dB全向天線。集中器作為系統(tǒng)通信管理機，要求其具有多個通信接口，其設計方案有：內(nèi)置多串口的CPU;CPU加串口擴展芯片;多串口CPU模塊等3種。前2種方案均需要根據(jù)應用擴展一定的存儲空間，另外，集中器要求實現(xiàn)的功能較多，基于操作系統(tǒng)進行軟件設計較方便且開發(fā)速度快，但對于前2種方案，均要做操作系統(tǒng)移植及底層驅動軟件開發(fā)等工作，需耗費時間且短期內(nèi)難以做到穩(wěn)定可靠。綜合考慮開發(fā)周期、可靠性、成本等因素，采用最后1種方案，選用Rabbit公司工業(yè)級RCM6700模塊。該模塊主要硬件資源有：6個高速UART接口，1個以太網(wǎng)口，1個USB口，1M并行程序flash，2M串行數(shù)據(jù)flash，640k快速SRAM，32個數(shù)字I/0口線，看門狗，時鐘等。

集中器硬件結構如圖3所示。RCM6700模塊通過USB口擴展大容量存儲器用于存儲各智能電表的電量數(shù)據(jù)。RCM6700模塊3個UART通過MAX1487芯片及PC817芯片提供3路隔離RS485通信接口，1路用于同三相智能總表通信，2路預留。模塊另外3個UART，1個與XBee PR0 ZB模塊通信，1個作為調(diào)試及程序下載口，1個與中興ME3000 GPRS模塊通信[10]。RCM6700模塊的以太網(wǎng)接口預留。集中器還擴展了3路隔離開關量輸入及2路隔離開關量輸出。其中開關量輸入用于檢測計量箱門狀態(tài)。