基于ZigBee的多用户智能电表设计

　　CC2420内部使用1.8V工作电压，因而功耗很低，适合于电池供电的设备;外部数字I/O接口使用3.3V电压，这样对于只有3.3V电源的设备，不需要额外的电压转换电路就能正常工作。CC2420射频信号的收发采用差分方式传送，其最佳差分负载是115+j180，阻抗匹配电路应该根据这个数值进行调整。如果使用单端天线则需要使用平衡/非平衡转换电路，以达到最佳收发效果。CC2420与处理器的连接非常方便。它使用SDF、FIFO、FIFOP、和CCA四个引脚表示收发数据的状态;而处理器通过SPI接口与CC242O交换数据、发送命令等;CC2420通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式并实现读／写缓存数据、读／写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射／接收缓存器。 

　　3软件设计 

　　电表系统的软件设计包括主程序设计和通讯程序设计，在此只讲主程序的设计，其流程图如图5所示。 

　　系统进程首先进行初始化，成功后的进程分为并列的两部分。其一是各户用电量的上抄：单片机内轮抄计数器置01，MSP430F133对74LS150的ABCD四个控制端置0000位，此时引脚EA0对应的通道接通到MSP430F133的输入端，单片机统计其在32s内积累的脉冲数。2s后，轮抄计数器加1为02，ABCD置1000位，EA1对应通道接通，进行相应用户的计数积累脉冲的上抄，以此循环进行相应用户的抄送，当轮抄计数器的数目=16时，完成总共16户的上抄，将轮抄计数器的置01，进行下一轮循环的上抄。总体上讲，整个电表系统32s为一个循环，对用户用电量进行循环抄送，每10m将各用户累加器单元统计的累积脉冲计算转换为电量数据(用电量=脉冲数×16×仪表脉冲/功率输出常数，因统计脉冲数是真实值的1/16)并附属时间常数存储到对应的存储器单元，并且实时显示最新10m内的用电量/用电费用，每1h末进行用电数据（用电量和对应的时间常数）的定时传送，其二是电表数据的上传和断电的执行：启动CC2420连入ZigBee局域网，成功后等待上层集中器命令，一旦网络断开立即重启CC2420重新连入局域网络；上层集中器下载的命令分为数据上传和欠费断电两种，若是断电命令，MSP430F133控制相应用户的SSR断开电源连接，成功后自动转为待命状态，若不成功，重复进行断电操作直至操作成功。若是上传命令，MSP430F133立即将累加器内积累脉冲转化为电量数据附上时间常数存储到对应的存储器单元，然后将前1h末到此刻RAM内的存储数据通过CC2420以ZigBee通讯的方式上传到上位集中器。成功后自动转入待命状态。 

　　4结束语 

　　采用了ZigBee通讯技术的多用户智能电表是远程自动抄表系统的硬件基础和构成元素，一定数目的表和同样采用基于CC2420的ZigBee通讯技术的集中器构成了中心结构的ZigBee局域通讯网络，每一块表与中心节点集中器数据交换，集中器将汇集的抄表数据上传到远程控制中心实现远程自动抄表。在实验室环境下利用MSPRF-430F2618-PK专业开发系统（部分模块进行了更换）进行验证试验，证明多用户智能电表运行正常，与集中器通讯畅通，但也存在通讯距离不够远（小于50m），易受外界电磁环境干扰的缺陷。可考虑采用最新的CC2591(加强了天线功率，其理论通讯距离可达到1000m)替换CC2420的方式提高通讯效率。
　　从总体上看，文中的多用户智能电表兼容了抄表器功能，在“一户一表”的前提下简化了抄表系统结构，节省了系统成本。与当前使用有线通讯技术（如电力载波/总线通讯等）的智能电表相比，基于ZigBee的多用户智能电表实现短距离范围内无线抄表不仅避免了有线抄表布线施工的难题，而且在远程抄表系统中具备无线传感器网络节点的功能，即其在抄表通讯网络中的投入和退出只需远程控制而不需要进行任何的硬件修改，从而极大地降低了安装运行之后的日常维护工作的劳动强度。而与同样是无线抄表的GSM技术相比，ZigBee技术基于免费的2.4GHz频道，不需为此付出昂贵的通讯频道租借费用。总之，低成本的ZigBee通讯技术与电表相结合，不但符合当前市场对智能电表的功能要求，而且符合未来“智能家居”发展的要求。自动抄表是“智能家居”三表集抄系统的一个功能单元，ZigBee通讯技术作为“智能家居”中最有前途的通讯手段与前者的结合不仅是经济效益最高的，也代表了以后电表的发展方向。