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Zigbee计数和DLT645规约在无线抄表系统中的应用

第37卷第24期电力系统保护与控触V01.37No。242009年12月16日PowerSystemProtectionandControlDec.16。2009

Zigbee技术和DL/T645规约在无线抄表系统中的应用

何宾,吕育斌i冯涛

(北京化工大学信息科学与技术学院,北京.100029)

摘要:针对传统的GPRS、CDMA无线远程抄表系统存在功耗高,网络实时性差的隐患,介绍了基于我国电力部标准“DL/T645—1997多功能表通讯规约”的电度表无线抄表系统,该系统无线数据传输部分由ATMEL公司的Megal28AVR单片机和RF230射频芯片构成,兼容802.15.4标准和Zigbee协议,是一种无线自组织多跳冗余网络,可以很好地保证无线数据的可靠传榆。该系统具有远程抄表、供(断)电远程控制、读取当前压流值等多种功能,而且节点功耗低、成本小,适合于基于电度表的无线抄表系统。给出了系统的通讯协议,硬件组成框图,软件流程。

关键词:无线抄表;DL/T645规约;zigbee;无线传感器网络

WirelessmeterreadingsystembasedonZigbeeandDL/T645

HEBin,LflYu?bin,FENGTao

(CollegeofInformationScienceandTechnology,BeUingUniversityofChemicalTechnology,BeUing100029,China)

Abstract:TraditionalGPRS.CDMAwirelessmeterreadingsystemhashighpowerandbadnetworkreal-timeperformance.AnewwirelessmultifuncfionalmeterreadingsystemdevelopedforakindofpowermeterbasedonDL呵645.1997multifunctionalmetercommunicationspecificationtlJisintroducedinthispaper.ThesvstemiScomposedofMegal28AVRMCUandRF230RFtransceiver,compliantwithIEEE802.15.4/Zigbee,whichiSawirelessmulti—hopnetworkwithself-organizing.Soitcarlguaranteestabilitytothewirelessdatatransfer.Thissystemhasseveralfunctionssuchasmeterremotereading,powerIm/OFFremotecontrolgettingmagnitudeofvoltage&current,etc.、釉at’Smore,becauseofitslowpowerandlowcostcharacteristic,themodessuitthewirelessmeterreadingsystem.Thispaperprovidesthecommunicationspecification,diagramofhardware&softwareofthesystem.Keywords:wirelessmeterreading;DL/T645;Zigbee;WSN

中图分类号:TM764文献标识码:B文章编号:1674?3415(2009)24-0081-04

0引言

近年来,出现了利用中国移动、联通提供的无线数据传输业务,结合当前流量抄表的实际情况开发的远程自动集中抄表分析系统,该系统虽然施工较简便,性能可靠,自动化程度高,但是功耗大,而且实时性差,尤其是节假日系统的负荷会达到高峰,系统及网络堵塞严重,信息不畅,不能及时发送或收到有用信息。

针对以上问题,采用Zigbee无线远程抄表技术,组建多跳自组织冗余网络,很好地保证了数据的实时性和可靠性,同时扩展了无线通讯距离。在某学院附中的教学楼用电系统使用了该技术,经现场实际测试,最多可以组成10跳网络,丢包率在1%以下。

1Zigbee技术简介及其网络层特点‘1】

1.1Zigbee技术简介

Zigbee技术是基于IEEE802.15.4通信标准的短距离、低功耗、低速率无线网路技术,其物理层和MAC层协议为IEEE802.15。4协议标准,网络层由Zigbee技术联盟制定,应用层的开发根据用户的应用需要,对其进行开发利用,因此该技术能够为用户提供机动、灵活的网络组网方式。

Zigbee网络中的设备分为全功能设备(FFD)和简化功能设备(Ⅺ'D)[21。FFD称为主设备,它承担网络协调者的功能,可与网络中任何其它类型的设备通讯,它亦可以作为网络中的路由设备,负责中继并转发RFD设备的数据包;RFD称为从设备,作为终端节点,其相互之间不能通信,.它只负责采集传感器数据并通过射频芯片进行无线传输,在无线通讯过程中可以通过FFD路由设备进行中继,转发RFD设备发出的无线数据信息,进行无线自组织多跳传输数据,数据最终汇集到由FFD设备构成的网关上,上传到PC机进行数据统计与分析。

.82一电力系统保护与控趔

由于这种多跳网络是一种冗余路由网络,所以它可

以很好地保证无线数据的可靠性。其各种网络拓扑

图结构如图1所示:

图1基于zigbee的无线网络拓扑图

Fig.1

WirelessnetworktopologybasedonZigbee

1.2Zigbee网络层特点

ZigBee网络层提供了两个必须的功能服务实

体,分别为数据服务实体和管理服务实体。网络层

数据服务实体(NLDE)通过网络层数据实体服务

接入点(NLDE.SAP)提供数据传输服务。网络层

管理服务(NLME)实体通过网络层管理实体服务

接入点=(NLME。SAP)提供网络管理服务【lJ。这两

种服务通过MCPS.SAP和MLME.SPA接口为MAC

层提供接口。除此之外,在NLME和NLDE间还有

一个接口使得NLME可以使用网络层数据服务,如

图2所示。

图2Zigbee网络层参考模型

Fig.2Network

layerreferencemodelofZigbee

网络层数据实体服务接入点支持对等应用实体之间的应用协议数据单元的传输。应用层协议数据单元的结构如表1所示,其中数据域为电表所采集到的各种电量数据。如表2,本系统使用网络层数据实体服务接入点对应用协议数据单元进行封装,加上适当的协议头,并使用网络层管理实体提供相邻设备和路由寻找功能,为网络层的数据包添加路由信息,将找到最佳路径的父节点地址添加到网络层协议数据单元中。

表1应用层协议数据单元

Tab.1Protocoldataunitofapplicationlayer

所占字节ll1可变

数:2

数据包目网络类型网络组号数据域数据域(电的地址号长度表电量)

应用层协议头

表2网络层协议数据单元

Tab.2Protocoldataunitofnetworklayer所占字2221可变

节数:2

应用层数据包父节点数据包数据类数据域协议头源地址地址序列号型ID号(电表网络层协议头电量)

2系统的硬件实现

本系统采用兼容IEEE802.15.4的无线射频芯片RF230,它工作在2.4GHz全球免授权免费频段上,具有250kbps无线通讯带宽,两节点之间进行可靠传输的直接通信距离为300m。同时还在端节点(I江D)与网关之间加了很多FFD路由节点进行中继,大大拓展了端节点与网关的通信距离。经过实际应用测量,端节点与网关之间最多可以达到10跳可靠通信。

2.1RFD终端节点

终端节点由接口转换电路、2.4GHz射频芯片RF230、512KB大小的FLASH芯片AT45DB041和AVR单片机Megal28构成,如图3所示。

图3终端节点硬件结构框图

Fig.3Hardwarestructureofterminalnodes

节点与电表之间通过485接口连接,节点负责采集电表输出的符合电力部标准的DL/T645.1997多功能电能表通讯规约的电量数据,并通过Zigbee无线组网传输。每个电表输出通过连接一片MAX485芯片实现485/TTL的电路转换。由于一个终端节点需要连接四块电表,所以使用VK3234芯片进行接口转换,该芯片实现了SPI桥接/扩展4个增强功能串口UAI玎的功能。它使用分时复用的方式,把高速的SPI主接口扩展为4个低速的UART子通道,每个子通道可以有独立的波特率、字长、校验格式,最高可以提供1Mbps的通讯速率。使用Megal28上的GPIO口模拟SPI接口时序,连接VK3234的SPI主接口,负责采集四路电表信号并通过USARTl口保存到片外512kB大小的FLASH

中,保存到FLASH的目的是可以在数据因中继节

何宾,等Zigbee技术和DL/T645规约在无线抄表系统巾的应用.83.

点没电无法正常工作造成网络拓扑结构的突变导致数据链路连接失败,端节点数据无法传回网关的时候端节点可以重传丢失的数据包,从而保证数据的可靠传输。本系统中就使用了ACK机制,在端节点的片外FLASH中建立一个FIFO队列,每次端节点采集一次电量数据就把数据暂存到FLASH的FIFO队列中,同时启动功射频芯片发送数据包,网关收到端节点的数据包都会给相应的端节点发送一个ACK包作为应答,端节点只有在规定时间内收到网关回传的ACK包之后才开始传输下一个数据包,否则就把刚采集到的下一个数据包暂存到FLASH中,重传原先的数据包,当重传的次数大于15次的时候就产生中断,在中断中丢包计数器值加l,中断返回后继续发送下一个数据包。

2.1.1射频电路

RF230是ATMEL公司推出的兼容IEEE802.15.4规范和Zigbee协议的2.4GHz射频收发芯片,射频输出功率最大可以达到3dbm,接收灵敏度为-101dbm。它拥有超低功耗,发射功耗最大只有16.5mA,接收功耗只有15.5mA,可以应用于电池供电系统,而且其休眠时的功耗只有20nA,由于在本系统中节电大部分时间处于休眠状态,节点每隔6min才唤醒一次进行电量采集和数据传送,这样节点的总平均功耗为1.5mW。节电装置由两节容量均为19Ah的1号电池并联供电,至少可以正常工作1年。

如图3所示,RF230与单片机之问通过标准的SPI口通讯,由单片机负责收发数据的解析和打包。2.2FFD中继节点和网关节点

作为中继节点的FFD设备硬件与RFD设备节点一样,主要负责自动组网和转发RFD设备发出的数据包。作为网关节点的FFD设备除了要汇聚终端节点无线数据信息之外还要把数据包通过串口上传给PC机,为了减小网关的PCB板尺寸和方便网关与PC机的连接,系统使用FTDI公司的FT2232USB口.串口转换芯片实现串口到USB口的转换,网关的硬件结构图如图4所示。

图4网关节点硬件结构框图

Fig.4Hardwarestructureofgatewaynodes

3系统的软件实现

3.1数据采集传输协议

端节点与电表间的通讯标遵循《中华人民共和国电力行业标准一多功能电能表通讯规约》即DL/T645规约【31,通讯链路的建立和解除都由网关

发出的信息帧来控制。每帧由帧起始符、从站地址域、控制码、数据长度、数据域、帧信息纵向校验码及帧结束符等7个部分组成。数据帧的格式如图5所示。

蕊警毓警潍警譬繁

始位域

始位码幽宣域码符

图5数据帧格式

Fig.5Dataframe

format

(1)帧起始符68H:标示一帧的开始。

(2)地址域A0一A5:地址域由6个字节构成,每字节2位BCD码。地址长度可达12位十进制数,可以为表号、资产号、用户号、设备号等。

(3)控制码C:控制码的格式如图6所示,D7=0:表示由网关发出的命令帧;D7=l:则表示端节点发出的应答帧;D6=0:端节点正常应答:D6=1:端节点对异常信息的应答;D5=0:无后续数据帧;D5=l:有后续数据帧。

图6控制码格式

Fig.6Controlcode

format

D4~DO:请求及应答功能;00000:保留;00001:读数据;00010:读后续数据;00011:重读数据;00100:写数据;01000:广播校时;01010:写设备地址;O】100:更改通讯速率;Ollll:修改密码;10000:最大需量清零。

(4)数据长度L:£为数据域的字节数。三读数据时不大于200,写数据时不大于50。L=0表示无数据域。

(5)数据域DATA:数据域包括数据标识和数据、密码等,其结构随控制码的功能而改变。传输时发送按字节进行加33H处理,接收方按字节减33H处理。

(6)校验码CS:从帧起始符开始到校验码之前的所有各字节的模256的和,即各字节二进制算术和,不计超过256的溢出值。

(7)结束符16H:标识一帧信息的结束,其值为16H。

..84..电力系统保护与控期

3.2节点的程序设计一J

所有的节点,包括FFD设备节电和RFD设备节点都是基于TinyOS使用Nesc语言编程。

TinyOS提供一系列可重用的组件,一个应用程序可以通过连接配置文件将各种组件连接起来,以完成它所需要的功能。基于TinyOS的开发者可以选择所需要的组件,组件库包括网络协议、分布式服务、传感驱动器和数据采集工具,这些组件都可以作为进一步开发的基础。

3.2.1无线抄表节点程序组件结构图

无线抄表系统的NesC程序就是调用了现有的TmyOS组件来实现抄表节点的程序编写。其程序组件连接如图7所示。

图7程序组件连接图

Fig.7Componentconnectiongraphfortheprogram

其核心的网络协议组件XMeshBinaryRouter连接位于整个组件图的前端,通过Mesh的方式建立起一个自组织自适应的无线网络。在主程序Main后开始连接调用XBlueTopM组件用以侦测网络的健康状况。XBlueTopM组件连接向XMeshBinaryRouter,由该Mesh组件提供所有的网络协议的运行和控制工作,它通过调用Receive或Send等命令就可以实现网络中信息的发送和接收,同时XBlueTopM组件连接向HPIPowerManagementM组建,由该组件控制节点的运行状态,以便控制节点的功耗。其网络协议的连接代码如下:

XBlueTopM.XCommand->XCommandC;

XBlueTopM.XEEControl->XCommandC;

严WiringforRFmeshnetworking.*/

XBlueTopM.RouteControl->MULTIHOPROUTER;

XBlueTopM.MhopSend->MULTIHOPROUTER.MhopSend[AMXMULTIHOPMSG】;

/+AM—XMULTIHOP—MSG=I1,Usechannel11ascommunicationchannel*/

MULTIHOPROUTER.ReceiveMsg[AM—XMULTIHOP—MSG】一>Comm.ReceiveMsg[AM—XMULTIHOP—MSG];

XBlueTopM.HealthMsgGet->MULTIHOPROUTER;

XBlueTopM.healthpacket一>MULTIHOPROUTER;

数据采集端使用的组件是RS485SPIC,如图7所示该组件主要实现SPI接口扩展4个增强功能串口(UART)的功能和与符合DL/T645规约通信标准的485接口电表通信,它对外提供RS485SPI接口以供上层应用组件调用。

3.3远程抄表管理软件

远程抄表管理软件是运行在管理端对整个无线抄表网络进行监管的上层程序。由于现在大多数的客户终端电脑都采用WindowsXP的操作系统,因此使用基于.Net平台进行开发,管理软件通过实时查询无线抄表网络的接收数据,将抄表数据显示在软件的数据表格中,并且可以实时看到远端抄表节点的电压数据。管理软件如图8所示。

图8远程抄表系统管理软件

Fig.8Remotemeterreadingsystemmanagementsoftware4结束语

采用基于802.15.4和DL/T645规约的无线抄表系统经实际使用能对电量数据进行准确地采集和传输,即可靠又便利,节省了成本。随着Zigbee技术的曰趋完善,无线抄表系统将会更加成熟。

参考文献

[1]蒋挺,赵成林.紫蜂技术及其应用[M】.北京:北京邮电出版社,2006.

[2]李海应,曾连荪.基于Zigbee的无线抄表技术[D】.上海:上海海事大学,2008.

[3]DL/T645,多功能电能表通讯规约[S】.

[4]李晓维.无线传感器网络技术【M】JB京:北京理工大学出版社,2007.

收稿日期l2009-02-04;修回El期l2000-03—03

作者简介:

何宾(1975-),男,讲师,博士,主要研究方向为嵌入式系统,无线传感器网络;E—mail:hebin@mail.butt.edu.cn吕育斌(1983一),男,研究生,主要研究方向为无线传感器网络;

冯涛(1979一),男,工程师,硕士,主要研究方向为

无线传感器网络。

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