引言
與採用有線網路通訊的樓控產品相比，無線解決方案的優勢在於安裝布置的靈活性、低廉的安裝費用和對樓宇自動化系統進行重新布置的可移動性。zigbee技 術產品以其低功耗、低成本以及優秀的組網能力，被廣泛認為將在未來幾年中對樓宇自動化和工業產生重大的影響。本文研究的遠端抄表系統就基於zigbee技 術實現了無線自動抄表功能。
系統硬體結構
無線抄表系統是由多個zigbee節點所構成的網路。zigbee技術支援3種網路拓撲結構，即星形(star)、網狀(mesh)和樹形分簇 (cluster tree)。星型結構由乙個協調器節點(主裝置)和乙個或多個終端裝置(從裝置)組成。協調器是一種特殊的全功能裝置(full function device，ffd)。ffd是具有**與路由能力的節點。終端裝置可以是ffd或簡化功能裝置(reduced function device，rfd)。rfd 是最小且最簡單的zigbee 節點，只傳送與接收訊號，並不起**器、路由器的作用。如果某個終端裝置需要傳輸資料到另乙個終端裝置，它會把資料傳送給協調器，然後由協調器依次將資料 **到目標終端裝置。
本文設計的zigbee節點是星型結構中最簡單的雙節點網路，即由乙個協調器節點和乙個rfd節點組成。其中，zigbee每個節點的硬體均由兩部分構 成：電能測量與處理部分和無線接收/傳送部分。而硬體具體實現的功能則由燒寫入微控制器的程式來決定。無線抄表系統的硬體結構如圖1所示。
圖1 無線抄表系統硬體結構框圖
電能測量與處理模組的工作原理
電能資料採集模組的核心是美國adi公司的一款高精度單相有功電能計量晶元ade7753。該晶元整合了數字積分、參考電壓源和溫度感測器。它提供了乙個 和有功能量成比例的脈衝輸出(cf)和數字系統校準誤差電路(通道偏置校準、相位校準及能量校準)。該晶元適用於單相電路中有功功率、無功功率和視在功率 的測量。
ade7753有電流和電壓兩個通道，共兩路模擬量輸入，分別是電流通道v1p、v1n和電壓通道v2p、v2n。電壓訊號經可程式設計放大 器(pga)放大和模數轉換器進行a/d轉換變為數碼訊號，然後，電流訊號經電流通道內的高通濾波器hpf濾除dc分量並數字積分後，與經相位校正後的電 壓訊號相乘，產生瞬時功率；此訊號經低通濾波lpf2產生瞬時有功功率訊號。利用功率偏差校準暫存器的值對有功功率進行校準，放入取樣波形資料暫存器中， 然後對取樣波形資料暫存器的值進行累加，將功率累加值(電能值)存放在電能暫存器中，經dout引腳輸出。
電流和電壓採集電路把交流電變為可供ade7753輸入的電壓。在電流通道中，通過di/dt微分電流感測器實現電流/電壓變換。di/dt微分電流感測 器基於rogowski線圈原理。rogowski線圈由環繞一根長直導線排列、匝數為n的矩形空芯線圈組成。
無線收發模組的工作原理
無線收發模組主要由cc2420晶元和2.4ghz射頻天線以及相應的阻抗匹配電路組成。晶元外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器 介面電路三個部分。本設計採用16mhz無源晶振，其負載電容值約為22pf。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配晶元的射頻輸入/輸出阻抗，使其輸入/ 輸出阻抗為50ω,同時為晶元內部的功率放大器和低雜訊放大器提供直流偏置。cc2420通過４線spi口(si、so、sclk、csn) 設定晶元的工作模式，並實現讀/寫快取資料和讀/寫狀態暫存器。
從天線接收到的射頻訊號首先經過低雜訊放大器和正交下變頻到２mhz的中頻訊號， 此混合i/q訊號經過濾波、放大，再通過adc轉變成數碼訊號。後經自動增益控制、數字解調和解擴，最終恢復出傳輸的正確資料。發射機部分採用直接上變 頻。待傳送的資料先被送入128位元組的傳送快取器中，頭幀和起始幀是通過硬體自動產生的。根據ieee802.15.4標準，所要傳送的資料流的每4個比 特被32碼片的擴頻序列擴頻後送到dac。然後,經過低通濾波和上變頻的混頻後被調製到2.4ghz,並經放大後送到天線發射出去。
系統軟體設計
microchip的zigbee協議棧
完整的zigbee協議棧自上而下由應用層、應用匯聚層、網路層、資料鏈路層和物理層組成。本硬體設計選擇的是microchip公司的pic18系列單 片機,因此在軟體設計中應用了microchip公司提供的zigbee協議棧。它隨著zigbee無線協議規範的發展而不斷更新。該協議棧有如下特點： 使用支援2.4 ghz 頻帶的chipcon cc2420 rf 收發器；支援簡化功能裝置和協調器；在協調器節點中實現對鄰接表和繫結表的非易失性儲存；支援非時隙的星型網路；可以在大多數pic18系列微控制器之間進 行移植；支援microchip mplab c18和hi-techpicc-18c編譯器；易於新增或刪除特定模組的模組化設計。
rfd節點軟體設計流程
這裡以rfd節點為例，闡述rfd節點加入由協調器節點組建的網路的設計思想及程式流程。圖2是rfd節點主應用程式設計的流程框圖。其主要功能是實現硬 件的初始化，並根據使用者指令進入配置模式來完成繫結操作。繫結的目的是讓rfd的位址資訊出現在協調器的繫結表中，從而使rfd節點與協調器關聯起來。對 於第一次完成燒寫程式的節點，必須接入計算機終端，按照流程進行配置和繫結操作；對於已經完成繫結操作的節點，在進行下一次操作時，可以無需計算機而進行 離線操作。
圖2 rfd節點主應用程式設計流程框圖
結語
基於zigbee技術的無線抄表系統不僅能節約人力成本，還可提高抄表的準確性、實時性，使管理部門能及時準確地獲得資料資訊。
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