ZigBee无线模块在电能管理系统中的应用

　　1 　引言

　　随着全球范围内智能电网建设正逐步展开，用户端是智能电网重要组成部分，用户端的核心内容包括智能配电与能量管理、智能电器、用电安全、电力计量等多个方面。目前能量管理系统都会考虑采用多种通信技术混合组网的方式，以克服现有技术固有的一些不足，从而达到满足系统性能和投资回报的要求。目前工业以太网、电力线载波及无线短距离通信被认为是AMR自动抄表系统可用的解决方案。其中无线短距离通信是一个很好的本地通信网络的解决方案，工业以太网、GPRS及CDMA等远距离通信可以作为远程通信网络，以这样方式的混合组网被公认为一种很好的解决方案。随着一种新兴的短距离、低速率无线网络技术ZigBee技术的兴起，基于ZigBee技术的本地无线自动抄表系统成为了一个热点。本文主要介绍了一款基于ZigBee技术无线模块的设计及其在ZigBee无线自动抄表系统中的应用。

　　2 　ZigBee技术的特点

　　ZigBee无线技术的特点是低耗电、低成本、低数据速率、短距离、通信可靠性高。它的网络拓扑主要支持3种自组织无线网络类型，即星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和树型结构(Cluster Tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。这使ZigBee技术在低耗电、低成本、低数据速率、可靠性强的无线抄表系统中发挥巨大的作用。

　　3 　ZigBee无线模块的设计

　　本文设计的ZigBee无线模块采用导轨式安装的安装方式，可以方便地安装在35mm的标准导轨上，这使模块能灵活的安装在各类配电箱、配电柜中。其外观侧视图如图1所示。ZigBee无线模块的技术指标如表1所示。

表1　ZigBee无线模块的技术指标

　　ZigBee无线模块分为两类，其中ZigBee信号转RS485信号的模块称为ZigBee采集模块;而ZigBee信号转以太网信号的模块称为ZigBee网络终端，它是整个ZigBee网络的组网发起者，即ZigBee网络中的中心节点。

图1　ZigBee模块侧视图

　　3.1 硬件设计

　　ZigBee无线通信模块主要由开关电源部分、ZigBee无线传输部分及接口转换部分组成，其原理框图如图2所示。

图2　ZigBee通信模块

　　开关电源电路部分主要采用美国PI公司TOP221Y(TOPSwitch)，使用反激式功率变换电路，把交流电源转换成我们需要的直流电源;无线传输部分主要采用MC13213芯片，它是freescale第二代ZigBee芯片，内部带有MCU芯片和无线收发器，它的原理图如图3所示;功率放大器采用SKY65336，它最大可以支持20dbm的功率放大功能，其原理图如图4所示;信号转换电路分RS485转换电路和以太网转换电路，其中以太网部分采用周立功的IPORT以太网模块。

图3　MC13213原理图

图4　SKY65336原理图

　　3.2 软件设计

　　如图5所示为ZigBee模块网络建立的流程图，整个ZigBee网络是由中心节点(即ZigBee网络终端模块)发起组建的，当网络建立成功后，此时在同一个网络频段上，并且拥有和ZigBee相同网络ID的ZigBee采集模块可以自动加入此ZigBee网络，并且每个ZigBee采集模块获得各自独立的网络地址。此时，整个ZigBee网络建立成功，可以准备数据的收发，ZigBee网络终端通过广播的方式传输数据。

图5　ZigBee模块网络建立流程图

　　如图6所示为ZigBee采集模块数据传输的流程图。首先ZigBee采集模块接收来自ZigBee网络终端模块的数据。然后判断是不是传递给自己的数据，如果是自己的数据则上传相关的回复数据，如果不是则按照自己发现的路由表中的地址以广播的方式转发来自ZigBee网络终端模块的数据。最后完成所有工作后进入休眠模式，等待下次的访问。

图6　ZigBee采集模块数据传输流程图

　　ZigBee采集模块及ZigBee网络终端都是采用透明传输，即直接把以太网的数据转换成ZigBee信号，其中不会增加多余数据，只把数据部分转发，自动去掉帧头、帧尾；RS485信号转换ZigBee信号也是一样的原理。