摘要：為設計一種安裝維護方便，低功耗和數據通信可靠的數據采集終端，根據無線技術發(fā)展，提出一種基于無線傳感器網絡的遠程電力數據采集器設計方案，AVR作為整個系統的核心控制器，負責對采集的電量數據進行處理，并進行智能控制，利用ZigBee短距離無線通信技術進行數據傳輸，大大減少了工程的布線復雜度，提高了數據通信的可靠性，降低了功耗。試驗結果表明，終端工作可靠、正常。
關鍵詞：無線傳感器網絡；數據采集器；ZigBee；低功耗

0 引言
    電量計量與抄收是現代電力營銷系統的一個重要環(huán)節(jié)。傳統的電量管理采用人工方式進行抄收和結算，具有一致性差，管理難度大等問題。由于電表分布點多、面廣、環(huán)境復雜等特點，自動抄表系統一直難以實用化，其中的主要原因是缺少實用、可靠、廉價的數據傳輸手段和抄表終端。
    基于以上原因，設計一種安裝維護方便、長期穩(wěn)定可靠，不但可以抄讀表具數據而且可以監(jiān)控表具運行狀態(tài)的遠程抄表數據終端，已經成為業(yè)內亟待解決的問題。本文給出了一種基于ZigBee技術的遠程自動抄表數據終端，通信質量好、工作可靠、經濟實用，可以準確及時地將用戶電能表數據抄取上傳，是一種理想的自動抄表解決方案。

1 遠程電力抄表系統整體框架設計
    系統運行時，首先通過電能表的RS 485總線數據接口傳輸給采集器。采集器巡檢各表RS 485總線數據進行處理或計數，并將結果存儲。采集器與集中器的通信采用ZigBee無線通信模塊，采集器平時處于接收狀態(tài)，當接收到集中器的操作指令時，按照指令內容操作，將本采集器有關數據通過無線通信模塊送至集中器。集中器可以定時或實時地對下轄的采集器進行數據抄收，并進行存儲。當上級設備——計算機調用數據時，則將所存儲的數據打包送上。管理中心計算機可以對集中器，并通過集中器對采集終端進行各種操作。系統整體框架設計圖如圖1所示。

2 數據采集器節(jié)點的硬件設計
2．1 數據采集器硬件框圖
    如圖2所示，數據采集器模塊中選用ATmega 1281單片機為數據處理單元，采用與ZigBee／IEEE 802．15．4兼容的無線射頻收發(fā)芯片AT86RF230設計數據傳輸單元，數據采集單元采用RS 485總線技術巡檢各電能表，并連接LCD1602和DS1302顯示各電能表耗能數值和采集時間。本方案設計的數據采集器終端的下行通道采用RS 485總線與多臺電表連接，用于電表的數據采集和通斷電控制，上行通信采用ZigBee無線傳感器網絡技術，通過網絡與數據集中器進行數據交互實現電表數據的遠傳。

2．2 微控制器與無線射頻收發(fā)芯片的電路設計
    無線射頻收發(fā)芯片選用基于ZigBee／IEEE 802．15．4設計的低功耗2．4 GHz無線收發(fā)芯片AT86RF230。如圖3所示，ATmega1281通過4個SPI總線接口以及其他4條控制線與AT86RF230進行通信，在AT86RF230上電容C1和C2用于去直流偏置，CB2和CB4為供電電源的去耦合電容，CB1和CB3為電壓調節(jié)器的負載電容，可以在低電壓時保證芯片工作穩(wěn)定，晶振XTAL與負載電容CX1和CX2構成晶振電路。微控制器通過SPI接口編程控制寄存器，同時完成與AT86RF230的數據交換。

2．3 采集單元的RS 485接口電路設計
    為了實現總線和微控制器的隔離，在微控制器的異步通信口與MAX485之間采用光耦隔離，如圖4所示，ATmega1281的PD2，PD3，PD5通過光耦隔離器分別對接收、輸入、控制信號起隔離作用。在輸出線路設計上，R15為傳輸線路上的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號的反射，在MAX485的485信號輸出端串聯了兩個20 Ω的電阻R10，R11以防止由于本機的故障而影響總線中其他分機的通信，在485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻R8，R9，使A端電位高于B端電位，這樣RXD的電平在RS 485總線不發(fā)送期間(總線懸浮時)呈現惟一的高電平，這樣就可以避免在總線上所有發(fā)送器被禁止時，常常誤認為通信幀的起始引起工作不正常。通過以上設計就可以實現微控制器通過RS 485總線對其管轄的各電能計量單元的數據進行采集、處理、存儲和控制的目的。

3 數據采集終端節(jié)點的軟件實現
3．1 數據采集單元的傳輸協議
    本設計在數據采集部分的RS 485網絡中采用多功能電能表通信規(guī)約(DL／T645-1997)作為電能表的遠程控制通信協議，在整個網絡中通信鏈路的建立和解除將由采集終端發(fā)出的信息幀來控制，通信字節(jié)格式如圖5所示，傳送方向由低到高位，一個起始位，一個停止位，一個偶校驗位，八個數據位共11位。

    通信幀格式如圖6所示。
    其中，幀起始符68H：標示一幀的開始。地址域A0～A5：地址長度可達12位十進制數，當從控制器接收到一幀數據時，地址域相同時應響應命令，取得總線控制權，當響應后應把總線控制權歸還給主控制器。命令碼C：執(zhí)行相應的操作。數據域長度L：L為數據域的字節(jié)數，讀數據時不大于200，寫數據時不大于50。L=0表示無數據域。數據域DATA：發(fā)送時數據加33H，接收時數據減33H。校驗碼CS：即各字節(jié)二進制算術和，不計超過256的溢出值。結束符16H：標識一幀信息的結束，其值為16H。
    數據采集終端節(jié)點與若干個電能表組成一個485網絡，作為RS 485網絡的主機，根據(DL／T645-1997)通信規(guī)約，其操作基本發(fā)送和接收流程圖如圖7，圖8所示，根據流程圖所示編寫程序，就可以實現RS 485網絡的主從機的正常通信，并完成數據采集終端對各電能表的數據采集功能。

3．2 ZigBee網絡節(jié)點的軟件設計
    作為無線傳感器網絡中的網絡節(jié)點，數據采集終端負責采集底端數據和傳輸數據到頂層集中器的功能，其傳輸單元采用。符合IEEE 802．15．4標準的ZigBee協議，在IEEE 802．15．4標準中定義了一套新的數據傳輸協議，本設計采用的AT86RF230無線傳輸模塊根據其標準，按照其物理層和MAC層的幀格式來傳輸數據。
    ZigBee物理層協議數據單元(PPDU)又稱物理層數據包，其格式如圖9所示。由圖可見，PPDU是由物理層有效載荷、前面的附加同步包頭和物理層包頭組成。

    一個完整的MAC層幀有幀首部，幀載荷(即數據)和幀尾三部分構成，其中幀首部又有若干個域按一定順序排列，但并不是所有的幀中都包含全部的域。MAC層幀結構如圖10所示。由圖可見，幀首部有幀控制域、序列號、地址域等，其中地址域又包含目的PAN標識符、目的地址、源PAN標識符和源地址等。

    在本方案中，幀發(fā)送和接收程序設計按照ZigBee協議棧的要求，其中程序中定義的發(fā)送數據結構體包含幀序列號、目的地址、源地址、網絡PAN標識符和數據指針信息等信息，ZigBee無線傳感器網絡中網絡節(jié)點的發(fā)送和接收流程圖如圖11，圖12所示。

4 結語
    本文設計的遠程電力數據采集器終端方案，在硬件上詳細分析了其各部分硬件設計和接口電路，實現了低功耗的目的，在軟件上分析各層通信的具體實現方案和關鍵技術，提高了數據通信的可靠性，本文創(chuàng)新點在于結合了RS 485總線技術，將ZigBee無線通信技術應用到遠程電力抄表系統中，具體一定的實用價值。