智能抄表硬件設計方案(DOC)

窗南京府第人空智能電網課程設計報告1智能抄表技術概述隨著自動化程度的提高和電能需求的不斷增長，電費查詢支出在生產成本中占的比例逐漸加大。供電單位對于電能精細化的要求也越來越高。傳統(tǒng)的人力抄表和電話抄表工作量大，效率低，人為誤差嚴重，漏抄，估抄，冒抄現(xiàn)象時有發(fā)生，因此必須按照切實可行的方法解決這些問題。而快速、準確、經濟、實時的獲取用電的各類數(shù)據(jù)，是做好費用自動結算，用量分析，計量表運行狀況監(jiān)測、負荷處理等應用管理工作的基礎。為此采用計算機、無線通信和嵌入式等技術設計了分布式電能表遠程智能抄表系統(tǒng)，提出了三級管理手段，將用戶的用電信息準確和及時地回傳到數(shù)據(jù)中心，便于電力企業(yè)計量、統(tǒng)計和收費等日益繁重的工作，大大提高了管理層次和自動化水平。智能抄表系統(tǒng)是堅強智能電網的基礎，通過智能抄表系統(tǒng)可以實現(xiàn)電網公司同電力系統(tǒng)用戶之間的有效可靠互動。能夠實現(xiàn)對主站層、接入層、上行通信層以及終端層的有效協(xié)調與控制。主站層主要是用來實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的采集與管理。上行通信層則主要是用來負責實現(xiàn)各個站點的相互有效的鏈接的。智能抄表系統(tǒng)的構建對于完善智能電網和實現(xiàn)電力資源的合理配置具有重要意義。歐美在智能抄表系統(tǒng)的研究處于領先水平，以美國為例，美國的智能電網建設注重用戶端，主要針對用戶的具體用電要求及變化來實施智能化管理，其實現(xiàn)方式包括智能電表、智能化抄表與以家庭為單位的規(guī)劃用電管理，主要建設了基于無線方式的智能抄表及通訊網絡。ADI公司直接參與部分州的智能電網的建設，在智能電表及無線網絡建設上取得了不俗的成績。智能抄表系統(tǒng)主要結構包括三個部分：集中器、采集器和通信系統(tǒng)。1）數(shù)據(jù)采集根據(jù)不同業(yè)務對采集數(shù)據(jù)的要求,編制自動采集任務,包括任務名稱、任務類型、采集群組、采集數(shù)據(jù)項、任務執(zhí)行起止時間、采集周期、執(zhí)行優(yōu)先級、正常補采次數(shù)等信息,并管理各種采集任務的執(zhí)行,檢查任務執(zhí)行情況。2）數(shù)據(jù)管理采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲管理技術,對采集的各類原始數(shù)據(jù)和應用數(shù)據(jù)進行分類存儲和管理，為“SG186”一體化平臺提供數(shù)據(jù)的匯總、存儲、共享和分析利用。按照訪問者受信度、數(shù)據(jù)頻度、數(shù)據(jù)交換量的不同，對外提供統(tǒng)一的實時或準實時數(shù)據(jù)服務接口，為其它系統(tǒng)放有權限的數(shù)據(jù)共享服務。數(shù)據(jù)管理功能提供系統(tǒng)級和應用級完備的數(shù)據(jù)備份和恢復機制。3）控制功能用屯信息采集系統(tǒng)通過對終端設置負荷定值、電量定值、電費定值以及控制相關參數(shù)的配置和下達控制命令,實現(xiàn)系統(tǒng)功率定值控制、電量定值控制和電費定值控制功能,系統(tǒng)亦可直接向終端下達遠程直接開關控制命令,實現(xiàn)遙控功能。系統(tǒng)具有點對點控制和點對面控制兩種基本方式。2智能抄表集中器硬件設計方案集中器在整個遠程無線抄表中起著承上啟下的作用。是整個通信系統(tǒng)的橋梁。決定著系統(tǒng)的整體性能。集中器以單片機MCU控制單元為核心。主要由電源供給電路、藍牙通信電路、有線或無線通信電路、鍵盤顯示電路、數(shù)據(jù)存儲電路、RS232計算機接口電路和能源控制電路等部分組成。其結構圖如圖2-1所示：圖2-1集中器系統(tǒng)結構圖單片機采用ATMEL公司的ATmega162,它有16KFLASH,1KRAM,35個I/O口，2個UART,1個SPI和3個外部中斷源，可以很好的滿足系統(tǒng)要求。1）藍牙通信電路設計這里采用nRF903芯片，該芯片提供了由9個I/O組成的接口與微控制器連接，分別負責對nRF903進行配置。工作模式的選擇。管腳TXEN、STBY和PWR_DWN分別負責nRF903接收模式、發(fā)射模式、掉電模式、和標準模式的切換。管腳CS、CFG-CLK和CFG-DATA組成的串行接口實現(xiàn)對頻率、通道、輸出功率和輸出時鐘頻率的配置，它們均SPI接口。故可以與ATmegal62的SPI口直接連接。nRF903的發(fā)射和接口共用一個管腳，不能同時發(fā)射和接收數(shù)據(jù)，只能進行半雙工通信，故需加一個10K的電阻實現(xiàn)阻抗匹配和隔離。在通信時，當C_SENSE輸出電壓為“0”時，說明通信對方沒有發(fā)送數(shù)據(jù)；當C_SENSE為“1”時，說明通信對方可能發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機需要進行處理。單片機可以從CLK_OUT知道nRF903是否工作正常。2)RS232接口電路由于抄表工作人員會隨時到現(xiàn)場進行對集中器的數(shù)據(jù)讀取和參數(shù)設置，而手持終端設備一般是PC機，故在集中器設計RS232接口電路是必要的。本系統(tǒng)中采用MAX3111E串行異步收發(fā)器來實現(xiàn)。其接口電路如下圖2-2所示：圖2-2接口電路圖ATmega162的MOSI與DIN連接作用發(fā)送數(shù)據(jù)線，MOSI與DOUT連接作為收數(shù)據(jù)線。MAX3111E的TX與T1IN連接，RX與R1OUT連接，從而利用其片內轉換器實現(xiàn)UART到RS232電平的轉換。MAX311E的中斷信號(IRQ)與ATmega162的外部中斷IN1相連，以便當PC機有數(shù)據(jù)向系統(tǒng)傳輸時，直接給MCU一個中斷信號并執(zhí)行相應的程序。3)Modem/NMC35i接口電路在與上位機進行呼叫連接和數(shù)據(jù)交換時，首選的方式是PSIN電話網，其次是GSM/GPRS無線通信網。一般嵌入式工業(yè)Modem采用串行RS-232接口與MCU連接，內含2路接受、4路發(fā)送而MC35i也是通過RS-232接口與自已得無線應用系統(tǒng)相連，內含3路接收、5路發(fā)送。故可以選用一個接口電路實現(xiàn)單片機與它們連接的問題，這里選用MAX3238可以實現(xiàn)此功能。電路如下圖2-3所示：

墻!UN23OUT4產Ml9CI+civetV+-DJK1DIM：DUJ3ROUT1RDUT2州DIN1―I?tfiMCU五"iTRIN3KOirn\i11DGUT5D[N5ROUTE墻!UN23OUT4產Ml9CI+civetV+-DJK1DIM：DUJ3ROUT1RDUT2州DIN1―I?tfiMCU五"iTRIN3KOirn\i11DGUT5D[N5ROUTEENVAUD：UhORECECFTLj_|RXDpn?DSRKTSCTSDCDvccMJW323H橫M<demnrMC?5iRIN6GND圖2-3Modem/NMC35i接口電路電路中RXD、TXD直接連ATmega162的RXD0\TXD0,可以獨立進行串行通信而與其他通信鏈路互不干擾。RING連ATmega162的外部中斷INTO,當通信模塊有振鈴信號時通知MCU執(zhí)行相應的中斷程序。3采集器硬件方案設計1）電壓通道采集電路位于電源板上的交采模塊分主要分為三部分：電壓采集電路、電流采集電路和電能量采集電路。三項多功能電能計量芯片ADE7758的電壓通道輸入采用單端電壓輸入,標準運行時最大信號電為土0.5V（相對于VN端），這里我們采用5個200K電阻與1個1K電阻串聯(lián)分壓的形式進行采樣[27],在輸入額定電壓為220V的情況下,經分壓采樣獲得的采樣電壓約為-220mV?220mV,電壓通道模擬量采集電路。CTUBZ200KZ200KZ200KZ200KZCTUBZ200KZ200KZ200KZ200KZ200K1K5.6nF1K5.6nFUC圖3-1UC圖3-1電壓通道采集電路2）電流通道采集電路ADE7758的電流通道采用全差分電壓輸入，最大的差分輸入信號為±0.5V。在設計電流通道模擬量采集電路時,采用變頻比為300:1的電流互感器以及兩個阻值為7.5。的采樣電阻，在輸入最大電流為300mA的情況下，采樣電壓約為300mV,電流通道模擬量采集電路。圖3-2電流通道采集電路3）電能量采集量為了設計方便，這里我們采用三項多功能電能計量芯片ADE7758作為電能量的計量芯片。ADE7758是一款高準確度的三相電能計量芯片，帶有兩路脈沖輸出功能和一個串行接口。ADE7758集成了二階工一D模數(shù)轉換器,數(shù)字積分器,基準電路,溫度傳感器,以及所有進行有功,無功和視在電能計量以及有效值計量所需的信號處理元件。ADE7758適用于計量各種三相配置條件下的有功，無功和視在電能,如WYE和DELTA系統(tǒng),包括三線和四線制。4通信系統(tǒng)方案設計方案一遠程智能抄表系統(tǒng)的通信系統(tǒng)方案包括集中器與采集器的底層通信方案和管理中心與集中器的上層通信方案。底層數(shù)據(jù)采集一般采用總線型通信方式的方案。這種方式以一條串行總線連接各分散的采集器，實現(xiàn)各節(jié)點的互連。在這種方式下，信道上節(jié)點較多，傳輸速率不是很高，傳輸距離短。常用的模式有紅外線通信、RS-485總線、儀表總線和低壓電力載波通信等。上層通信系統(tǒng)是以安裝在管理中心的系統(tǒng)工作站為中心點，以發(fā)散的形式分別通過通信信道與分散于各區(qū)域的集中器連接，形成1對N的連接形式。在這種方式下，信道的通信數(shù)據(jù)量大，要求有一定的傳輸速率和帶寬。根據(jù)信道介質不同可分為電話線、光纖、無線和城域網等多種模式。本設計的通信系統(tǒng)框圖如下所示，在集中器和管理中心之間的通信上采用了蜂窩移動無線網(GSM/GPRS),在集中器與采集器之間的通信上采用了低壓電力載波通信。GSM/GPRS網低壓電力網圖4T通信系統(tǒng)框圖管理中心與集中器之間是通過GSM/GPRS網絡進行的，需要在數(shù)據(jù)采集模塊和管理中心中加裝GSM模塊。由于這種模塊(其實是無鍵盤、無顯示屏的手機)結構簡單，控制容易，所以利用它的RS-232標準的接口很容易和單片機連接在一起，構造出AT賀氏指令，來驅動數(shù)據(jù)采集模塊。在通信形式上是主從方式，每次通信都由管理中心發(fā)起，集中器在接到通信命令后，進行相應的應答處理。集中器與采集器之間是利用低壓電力線進行通信。由于電力網絡相當于一個共享媒體，因此一個集中器和它所負責的所有采集器組成了一個相當于以太網形式的網絡。集中器和所有的采集器相當于網絡上的一個節(jié)點，每個節(jié)點都有唯一的網絡地址。每個節(jié)點只對目的地址和本節(jié)點地址相同的數(shù)據(jù)進行響應。在通信形式上也是主從方式，每次通信都由集中器發(fā)起，采集器在接到通信命令后，進行相應的應答處理。4.1電力載波模塊設計電力載波模塊基于SSCP300進行設計。Intellon公司的SSCP300符合EIA-600CEBus通信協(xié)議，其擴頻信號覆蓋了從lOOKHz?400KHz所有帶寬，若某些頻率的信號因受到干擾而無法到達接收機，剩下部分的信號仍能成功到達,采取適當?shù)募m錯編碼可恢復正確的數(shù)據(jù)。設計總體方案如下圖所示。發(fā)電力采取適當?shù)募m錯編碼可恢復正確的數(shù)據(jù)。設計總體方案如下圖所示。發(fā)電力圖4—2電力載波模塊總體方案設計由單片機AT89c51單元MCU和芯片IntellonP300組成一個網絡接口控制中心，負責處理來自經過輸入濾波電路處理的電力載波信號，通過輸出電路向電力線發(fā)送載波數(shù)據(jù)。并控制命令線CON和串行通信線TXD、RXD與上級應用單元進行通信。MCU作為控制核心，完成分組的發(fā)送和接收、發(fā)送字節(jié)到符號的轉換、接收符號到字節(jié)的轉換以及循環(huán)校驗碼的產生和校驗等。即將要發(fā)送的數(shù)據(jù)先由MCU轉換成符合EIA-600CEBus的符號，組成分組傳送到P300，由其進一步處理后發(fā)送出去。而由P300處理后得到的分組傳送到MCU，由其轉換成原始數(shù)據(jù)，并判別是何指令，從而指示用戶用表完成相應的操作，如接通、斷開等。P300與主處理器的接口是通過一個5線的串行外圍接口(SPI)及復位信號RST來完成的，SPI的數(shù)據(jù)輸入6口。和數(shù)據(jù)輸出(SDO)線允許數(shù)據(jù)由P300傳出或傳至P300時對其進行計時。P300還提供了SPI數(shù)據(jù)時鐘(SCLK)來對數(shù)據(jù)傳輸提供時序信號。而P300的服務請求是由低電平有效的中斷信號(INT)來完成的。P300低電平有效的片選信號(CS)可將SPI接口置為有效或是無效。要發(fā)送的分組首先傳到P300的數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)的微處理器，它再將之傳送給其數(shù)字信號處理模塊。數(shù)字信號處理模塊使用一個300點的片內ROM查詢表來產生擴頻載波(SSC)的高層狀態(tài)和低層狀態(tài)，此表可驅動片內8位DAC產生線性

掃頻的模擬波形。當三態(tài)信號TS被置高時，此波形經緩沖后從SO管腳輸出。以上即為調制過程，解調過程是相反的過程，模擬通信信號首先從其SI管腳進入P300,然后由緩沖放大器放大，放大后的信號通過一個一位的模擬/數(shù)字轉換器(A/D),轉化為數(shù)字信號，以便于對信號進行數(shù)字信號處理①SP),對輸入信號的數(shù)字信號處理使用一個匹配相關濾波器以檢測擴頻載波波形。然后載波監(jiān)測信息和媒介狀態(tài)信息從DSP部分傳輸?shù)紻LL的微處理器，以便于將分組解碼，協(xié)議功能和最終的分組傳輸?shù)街魈幚砥?。P300與電力線的接口由輸出濾波、放大電路和輸入濾波、放大電路及電力線耦合電路構成。模擬信號是通過信號入(SI)和信號出(SO)管腳在P300與交流電力線之間進行傳輸?shù)?。在發(fā)送模式下，擴頻載波"chirps"從P300的SO管腳傳輸?shù)捷敵鰹V波器，然后輸入到輸出放大器，此放大器由P300的三態(tài)信號(TS)來決定其是否工作。一旦信號被放大，則輸出信號通過媒介耦合電路傳輸?shù)矫浇橹腥?。在接收模式下，模擬通訊信號通過外部媒介耦合電路傳輸?shù)捷斎霝V波器，此帶通濾波器可通過頻率為lOOKHz到400KHz的信號，經放大后傳輸?shù)絇300的SI管腳。4.1.1電力線耦合電路此電路主要是將信號由電力線接進來。由于電力輸送工作在50Hz,相對于載波頻率來說是低頻率，故先將在信號進來之前進行高通濾波處理，然后通過12:12的線圈將信號耦合進來。為防止瞬間過載對設備造成損害，在線圈的電力線一側增加防高壓元件，而在設備一側增加穩(wěn)壓電路。C1TR?,12:12EEEEB-toEEEEB-toW2+10V圖4-3電力線耦合電路變壓器T1為100KHz?400KHz的擴頻載波信號提供了一個線性的傳輸功能；電容C1限制了變壓器電流以免變壓器鐵心的飽和；電阻R1在設備與電力線斷接圖圖4-5輸入緩存和瞬間高壓保護電路以后可對Cl進行放電，因而減輕了C1中存儲的高壓而帶來的對設備的損壞和破壞；穩(wěn)壓二級管W1和W2可用來鉗制加在SSCP300模擬支持電路上的電壓；而金屬氧化壓敏電阻Ml則可以在電力線瞬間高壓下提供保護。4.L2輸入濾波電路輸入濾波電路是一前置帶通濾波器，主要是把載波信號從耦合電路進來的較寬的信號中，按特定的帶寬范圍提取出來，送往后級電路處理。：：：：成：：C2：：input^ignal?■：：：：成：：C2：：input^ignal?■1BQ''L21,,

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120uh''C51,,toAO.OIljFL1：1的出C3.3300pF——C4...ISOOpF.圖4-4輸入濾波電路4.1.3輸入緩存和瞬間高壓保護電路經過濾波后的輸入信號要經由下圖中QI、R4?R7組成的晶體管放大器進行緩存。此放大器的信號增益為20dB,之所以定位這個值是因為它可以提供峰一峰值為ImV的靈敏電壓。而其它的增益值盡管可以提高接收的靈敏度，但同時降低了抗噪聲干擾的能力。圖中R3,R4兩個電阻為放大器設置了直流工作點，將SSCP300的SI管腳輸入的直流電壓設置為電源電壓的一半。二極管D3用來做溫度補償以穩(wěn)定放大器的直流工作點。而二極管DI、D2將加在SSCP300SI管腳的信號鉗制在電源提供的電壓范圍內，這也為SSCP300提供了額外的瞬間高壓保護。

4.1.4輸出電路這部分電路主要是把要發(fā)送的信號進行功率放大，并在三態(tài)開關打開期間,通過高壓耦合電路耦合到電力線上。在發(fā)送模式下，P300內部產生的“chirps”波形的信號輸出到SO管腳，在進行功率放大之前先對信號進行預濾波。R910k■-C50.1uFQ2L3■■■

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ZYYTl1aouH220pF.10k..□.1uFR12::510...C10■■33C￡ipF-ISCOpF圖4-6輸出電路4.1.5SSCPill功率放大電路成功發(fā)送的距離取決于功率放大器的驅動能力、電力線特性和接收機的靈敏度。由于電力線特性無法控制，而要提高接收機的靈敏度代價又很高，因此通常都是靠提高發(fā)送功率來完成的。故我們采用了InteHon公司的P1H專用芯片把要發(fā)送到電力線上的SSC信號進行放大。P1H電力線媒介接口芯片為電力線的收發(fā)器提供了輸出功率放大器和輸出三態(tài)開關的功能。其中，輸出功率放大器滿足EIA-600CEBus標準中關于輸出到普通阻抗和低阻抗電力線時所指定的電壓值，而且它還提供了過溫保護裝置以提高系統(tǒng)的可靠性。圖4-7SSCP111功率放大電路4.1.6SSCP300其它接口電路(1)時鐘接口SSCP300的晶振輸出管腳(XOUT)和晶振輸入管腳(XIN)將片上振蕩器與外部12MHz的晶振相連。另外，還需要一個1M歐姆的電阻(R17)與晶振并聯(lián)，以及晶振兩端與地之間各一個30pF的電容。圖4-8時鐘接口電路(2)電源整個電路需要兩個外部電源。一個+5V直流電源，其標準電流為30mA,用于SSCP300；另外一個+10V直流電源VAA，其標準電流為250mA，用于外部放大器。雖然外部放大器的電壓需要直流HV，但是一般使用9V或10V直流電源。SSCP300的數(shù)字(VDDD)和(VDDA)電源必須進行隔離，使得信號從芯片的數(shù)字部分傳輸?shù)侥M部分時，將噪聲的漏值降到最小。上圖中由R19、C19組成的濾波器可將SSCP300的模擬電源(+5VA)隔離，由R18、C17組成的濾波器可將SSCP300的數(shù)字電源(+5VD)隔離。而晶體管緩存電路Q1為了使SSCP300信號輸入腳的噪聲耦合降到最小，也由+5V提供電源。4.2GSM模塊GSM無線調制解調模塊是傳統(tǒng)調制解調器與^忖無線移動通信系統(tǒng)相結合的一種終端設備。GSM模塊提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07規(guī)范。GSM07.07中定義的ATCommand接口提供了一種移動臺(MS)與數(shù)據(jù)終端設備(DTE)之間的通用接口。GSM07.05對短消息作了詳細的規(guī)定。在模塊接收到網絡發(fā)來的短消息時，能夠通過串口發(fā)送指示信息，同時數(shù)據(jù)終端設備也可以向模塊發(fā)送

天線插口GSM射頻部分各種命令。在這里選用西門子的TC35無線調制解調模塊，其結構如下圖所示。天線插口GSM射頻部分40

腳2IF

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接電源ASIC圖4-9TC35模塊功能結構框圖從功能上看主要由四部分組成：GSM基帶處理器、GSM射頻部分、電源ASIC(Applicationspecificintegratedcircuit^DFlashROM。GSM基帶處理器是整個模塊的核心，它由一個C166CPU和一個DSP處理器內核組成，控制著模塊內各種信號的傳輸、轉換、放大等處理過程。GSM射頻部分是個單片收發(fā)器，它由一個外差式接收器、一個上變頻調制環(huán)路發(fā)送器、一個射頻鎖相環(huán)路和一個全集成中頻合成器這四個功能塊組成，共同完成對射頻信號的接收和發(fā)送等處理。GSM模塊電流變化非常大，空閑時電流小于3mA,而在通話期間電流最大可達2A,這就對供電電路提出了較高的要求。模塊電源ASIC部分使用線性電壓調節(jié)器把外部輸入的電源電壓進行穩(wěn)壓處理后供GSM基帶處理器和GSM射頻部分使用，此外它還輸出一個2.9V/70mA的電源供模塊外的其他電路使用。GSM射頻部分的功率放大器對電源要求不高，所以可直接使用外部的輸入電壓。FlashROM用來存儲一些用戶配置信息、電話本和其他信息。TC35接口電路如下圖所示，構成了一個基本的應用電路。只需利用數(shù)據(jù)接口的TXD和RXD管腳對TC35進行控制，就可完成短消息方式的數(shù)據(jù)傳輸。圖4-10TC35接口電路由于TC35模塊輸入輸出信號的TTL正邏輯電平最高是+2.9V,而不是+5V,這與MCU的CMOS標準電平不兼容，必須進行電平轉換。轉換電路如下圖所示,采用7417集電極開路緩沖器，結合上拉電阻實現(xiàn)電平轉換。圖4-11TC35數(shù)據(jù)輸出電平轉換電路TC35數(shù)據(jù)輸入電平轉換電路TC35默認的串行通信方式是8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗位，波特率在1.2kbit/s到115kbit/s之間自動可調。值得注意的是TXD和RXD信號與單片機的連接為：TXD—TXD、RXD—RXD，因為TC35管腳定義是針對外部連線，對于TC35來說TXD是信號輸入腳，RXD是信號輸出腳。5通信系統(tǒng)設計方案二5.3.1通信系統(tǒng)方案設計根據(jù)ZigBee2007的協(xié)議棧，ZigBee支持5級的深度，也就是6個層級，協(xié)調器為第一級，下一級可以是路由器或者終端，再下一級也可以是路由器或者終端，但是只有協(xié)調器或者路由器可以有子節(jié)點，終端沒有子節(jié)點，路由器還有父節(jié)點。從圖中我們可以看到，上位機負責數(shù)據(jù)的處理，通過COM口和通信模塊進行通信，通信模塊位于ZigBee的網絡中，是ZigBee的協(xié)調器，控制著網絡中的重要數(shù)據(jù)，包括密鑰等等，它負責啟動和組建網絡。通信模塊下面可以有6個具有路由功能的ZigBee設備子設備，或者說是20個ZigBee設備（包括14個終端設備和6個路由設備）。在第二層級的每個路由模塊（測量節(jié)點）下面也可以連接6個路由設備（測量節(jié)點）或者14個終端設備（測量節(jié)點）。后面的第三層級、第四層級、第五層級、第六層級的設備都可以是路由模塊或者終端設備。這些設備是否具有測量功率的功能，需要根據(jù)實際情況來安裝。這些設備如果用于測量用戶的用電數(shù)據(jù)的同時，還需要進行中繼功能的，我們需要在此用戶的家中安裝具有路由功能的測量節(jié)點，如果安裝在用戶家中單純用于測量用電數(shù)據(jù)的，那么我們只需要安裝一個終端測量節(jié)點。由于ZigBee工作在2.4GHz的頻段，波長比較短，傳輸距離和穿透能力都比較弱，所以在某些節(jié)點距離比較遠的時候需要加入一些只有路由功能的ZigBee模塊。整個網絡開始運行后是一個樹行結構。ZigBee網絡中的每個設備會在運行后根據(jù)網絡的運行情況，一定的路由算法，在將用電數(shù)據(jù)傳輸回通信模塊的時候會自動選擇最佳的路徑。也就是在某一時刻A設備將用戶的用電數(shù)據(jù)傳回通信模塊，需要經過具有路由功能的B、C、D才傳回通信模塊，但是假如網絡中有些數(shù)據(jù)發(fā)生了改變，A設備的數(shù)據(jù)傳回通信模塊可能只經過了B、C、FoZigBee數(shù)據(jù)交換的時候通過ZigBee信道雙向傳輸。測量節(jié)點就是由ZigBee芯片CC2530和STPM01功率測量模塊組成。通信模塊和只具有路由模塊的ZigBee設備主要是CC2530芯片。而我們只需要在應用端口的設定時，對相應的端口賦予不同的定義，則可以實現(xiàn)通信功能和路由功能的變換。圖圖5-2通信模塊結構框圖為H&rU獨工配班工腐由穩(wěn)族

前玨節(jié)點為曲乩健訃由鐘由7依Ikr口面川融市建為H&rU獨工配班工腐由穩(wěn)族

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西信模塊，.普通昂網工地國卅遭也詔*好H%dJ電■工迪》器由解那?節(jié)點工四仁通值生描地工配Be［工配Be［端心電塊M量節(jié)點lZqBfE^-N德量節(jié)點圖5-1通信系統(tǒng)整體方案設計5.3.2通信模塊結構框圖設計通信模塊需要和上位機通信，所以他應該包括電平轉換芯片，同時他需要和其他網絡通信，所以它需要天線模塊，整個通信模塊的結構框圖如圖5.2所示。5.3.3CC2530通信模塊設計CC2530簡介CC2530是德州儀器公司推出主要用于Zigbee應用的一款芯片。它不僅成本非常低，而且能建立強大的網絡節(jié)點。CC2530包含了的RF收發(fā)器、增強型8051CPU,8KBRAM,可編程閃存和多種其他強大的功能。CC2530根據(jù)閃存的大小劃分為四種不同的版本：CC2530F256/128/64/32分別具有256/128/64/32KB的閃存。CC2530擁有不同的工作模式，使他也滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。工作模式之間的轉換時間短更確保了低能源消耗。模塊框圖如圖5.3所示，模塊大致分為三種類型：CPU和內存相關的模塊；時鐘、外設和電源管理相關的模塊以及無線電相關的模塊。CPU內核是一個單周期的8051兼容內核。它有三個不同的存儲器訪問總線，一單周期訪問SFR、DATA和主SRAM。它還包括一個調試接口和一個18輸入的擴展中斷。中斷控制器提供了18個中斷源，分為六個中斷組，每組與四個中斷優(yōu)先級相關。當設備從空閑模式回到活動模式，也會發(fā)出一個中斷服務請求。一些中斷還可以從睡眠模式喚醒設備。內存仲裁器位于系統(tǒng)中心，因為它通過SFR總線，把CPU和DMA控制器和物理存儲器和所有外設連接在一起。內存仲裁器有四個存取訪問點，訪問每一個可以映射到三個物理存儲器之一；8-KBSRAM映射到DATA存儲空間和XDATA存儲空間的一部分。8-KBSRAM是一個超低功耗的SRAM，當數(shù)字部分掉電時能否保留自建的內容，這對于超低功耗應用時一個很要的功能。閃存塊為設備提供了內電路可編程的非易失性程序存儲器，映射到CODE和XDATA存儲空間。除了保存程序代碼和常量，非易失性程序存儲器允許應用程序保存必須保留的數(shù)據(jù)，這樣在設備重新啟動之后可以使用這些數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)內核和外設由一個1.8V低差穩(wěn)壓器供電。另外CC2530包括一個電源管理功能，可以實現(xiàn)使用不同供電模式的長電池壽命的低功耗應用運行。CC2530包括了許多不同的外設，如IO控制器，定時器，SPI功能模塊等，允許應用程序開發(fā)者開發(fā)先進的應用。圖圖5-4CC2530應用電路晶振電謔管理控司瑞FaO-P24P10-P17輸入輸L1J校制承12位上-EAEC<=>k：>射靛晶振電謔管理控司瑞FaO-P24P10-P17輸入輸L1J校制承12位上-EAEC<=>k：>射靛寄存器C-：POD-IXJ7ISIW118也定時耨<：IEEES02-1&.4

MM定/器血IA&送通_處理矍―1項矗摟口-k:先進先出和慘控卻圖5-3CC2530結構框圖CC2530設備內置了一個IEEE802.15.4兼容無線收發(fā)器，這就是RF內核控制模擬無線模塊。同時，CC2530還為MCU和無線設備之間提供了一個接口，這樣就可以實現(xiàn)確定發(fā)出命令、讀取狀態(tài)、自動操作和確定無線設備時間的順序。無線設備還包括了一個數(shù)據(jù)包過濾和地址識別模塊。CC2530中的SPI模式分為4線接口或3線接口與外部系統(tǒng)通信。接口包含引腳MOSI、MISO、SCK和SS_N。當寄存器寫入UxBUF后，SPI主模式就開始傳送字節(jié)，SCK串行時鐘使用波特率發(fā)生器產生，發(fā)送寄存器提供將字節(jié)輸出到MOSI引腳。同時接收寄存器從