基于无线网络的远程电力抄表系统的设计

利用ZigBee近程双向无线网络和GPRS分组交换系统，设计了一个远程电力抄表系统。对单元楼道内住户的电表数据采用ZigBee网络收集，而从单元楼到电力公司抄表中心的远程数据传送则由GPRS来完成。具有简单、易维护及管理方便等特点。

系统总体架构
系统总体架构如图1所示，主要包括：终端模块、网关模块和远程服务器三部分。在一个局部范围内采用ZigBee的无线数据传输技术，将各个电表通过通信口与Zigbee RFD（简化功能设备））模块进行有线的连接通信，构成一个终端模块，根据路由算法选择最优的通信路径，把电表数据收集到一个ZigBee/GPRS网关中，然后借助GPRS的远程无线通信技术，把获得的数据信息送到远程的服务器，同时，远程的服务器可访问和控制任何一个ZigBee网络中的设备，来实现远程控制的功能。

图1 系统架构图

硬件设计
1 终端模块设计
终端的处理器模块和无线通信模块采用一片CC2430芯片。CC2430是TI公司生产的新一代2.4GHz射频系统单片机，片内整合了RF收发器，增强型8051MCU、64KB的Flash内存、8KB的RAM、2个USART等大量电路，只需极少的外围电路即可实现信号的收发功能。其硬件图如图2所示。电路中的非平衡变压器由电容C4和电感L1、L2、L3以及一个PCB微波传输线（两个等效的λ/2电阻）组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50Ω)的要求。系统只需外接一片MAXIM公司的MAX3485芯片，进行UART和RS-485的电平转换，以完成和电表的通信。

图2 终端模块硬件原理图

注意，系统使用3V纽扣电池供电，功耗很低（接收数据时为27mA，发送数据时为25mA）。MAX3485也是低功耗芯片，和CC2430的电压等级兼容。

2 网关节点设计
网关节点主要芯片包括一片CC2430和一片MC35i。MC35i是西门子公司生产的新一代GSM/GPRS双模模块，支持数据、短信、语音和传真业务，采用低功耗设计，支持电压范围3.3～4.4V，电流消耗仅为3.0mA（睡眠）/10.0Ma（闲置）/300mA（通话，最高2.0A）/100μA（掉电），特别是MC35i的GPRS永久在线功能，提供了最快的数据传输速率。

CC2430完成Zigbee网络中数据的收集、存储。MC35i通过GPRS网络把数据发送到远程服务器上，同时，接收和解析从远程服务器上传来的命令信息，来控制整个Zigbee网络。网关节点还扩展了一片128×64点阵的LCD液晶模块来完成网络中信息的显示。根据需要，还可以外扩一定容量的Flash以满足存储程序和数据的需要。外接的RS232接口，支持程序的下载和调试。其硬件框图如图3所示。

图3 网关节点硬件框图

由于系统的整体硬件原理图较大，在此省略。

软件设计
ZigBee网络具有自组织和自管理的功能。网络中的节点采用的是动态地址分配的机制。软件设计主要包括终端模块的嵌入式软件部分、网关节点软件部分以及服务器的管理软件。