无线电力抄表系统的研究与设计 毕业设计论文.docx

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无线电力抄表系统的研究与设计毕业设计论文

摘要

远程无线自动电抄表系统是提高供电企业用电管理水平的需要，全面实施自动电抄表系统具有极大的经济和社会价值，自动电抄表系统不但可以加强对用户用电情况的监督，还增强了对电网商业化运营的监督，从而为企业的经营分析决策奠定基础。

论文将zigbee无线通信技术应用到无线抄表系统中,把用户电表用电数据收集到一个数据集中器,然后通过无线方式把获得的数据信息送到数据管理中心,同时,数据管理中心可访问和控制任何一个在ZigBee网络中的设备,来实现远程控制功能。

基于单片机和zigbee无线网络传输技术，完成了包括主控制器STM32F101R6T6模块、电源模块、通信模块、zigbee模块、复位电路、存储器模块的数据采集终端的硬件电路设计。

采用C语言编程，完成了包括系统底层处理模块、运行模块、时钟处理模块、存储器读写模块、通讯模块、清零模块的软件设计。

通过RS485与UART通信测试、zigbee无线通信测试，验证了数据采集终端系统的部分功能。

测试结果表明该系统可以应用于简单的点对点无线通信。

关键词：

zigbee，RS485，单片机，串口通信，自动电抄表系统

ABSTRACT

Wirelessremoteautomaticelectricmeterreadingsystemtoimprovethesupplyofcorporatepowermanagementlevel,thefullimplementationoftheautomaticelectricmeterreadingsystemhasgreateconomicandsocialvalue,automaticelectricmeterreadingsystemwillnotonlystrengthenthesupervisionoftheuserofelectricityinalsoenhancethesupervisionofthecommercialoperationofthegrid,andthuslaythefoundationforbusinessanalysisanddecision.

Thepaperwillzigbeewirelesscommunicationstechnologytothewirelessmeterreadingsystem,theuser-meterelectricitydatacollectiontoadataconcentrator,andthenthroughawirelessdataobtainedtothedatamanagementcenter,atthesametime,thedatamanagementcentercanaccessandcontrolanydeviceintheZigBeenetwork,theremotecontrolfunction.

Microcontrollerandzigbeewirelessnetworktransmissiontechnology,tocompletethethehostcontrollerSTM32F101R6T6module,powermodules,communicationmodules,zigbeemodule,resetcircuit,memorymodule,dataacquisitionterminalhardwarecircuitdesign.

UsingtheCprogramminglanguage,completesystemunderlyingprocessingmodule,runthemodule,theclockprocessingmodule,memory,readingandwritingmodules,communicationmodules,clearmodulesoftwaredesign.

RS485andUARTcommunicationstest,zigbeewirelesscommunicationstestandverifysomeofthefeaturesofthedatacollectionterminal.Thetestresultsshowthatthesystemcanbeappliedtoasimplepoint-to-pointwirelesscommunications.

KEYWORDS:

zigbee,RS485,Single-chipmicrocomputer,serialcommunication,Automaticelectricmeterreadingsystem

第1章绪论

1.1选题背景及意义

伴随着公共事业（水、电、燃气）在中国的蓬勃发展，老百姓对生活环境提出了更高的要求。

在政府政策的鼓励下，家居智能化得到了高速的发展。

作为智能化产业链中的一环，智能抄表系统也同时得到了蓬勃发展。

随着电力市场化改革的深入和城市配电网改造工程的启动，供电企业必须进行包括生产方式和管理方式在内的商业化改造，以保证输配电系统能够公开、公平、公正地为电能生产者和使用者提供优质服务。

国网公司“一户一表，抄表到户”用电管模式的推广和普及，使得用户电量的准确、及时抄收成为衡量供电企业管理水平的重要标志。

传统的手工抄表方式存在着不准确、不及时、收费难、不可控制的缺点，且会出现抄表员与用户一些不愉快的尴尬局面，这已经不适应社会的发展需求了。

随着电力数字化，社区数字化的发展，现在电力行业正在投入大量资金对城网和农网的电表和线路进行改造。

明确规定这样也对抄表提出了更高的要求，在这样的大背景下，各种提高抄表服务质量、降低抄表成本的自动抄表系统逐渐被提到议事日程上。

手持终端抄表、远程抄表、集中抄表等系统都是基于这样考虑而设计的。

而远程无线自动电抄表系统正是提高供电企业用电管理水平的需要，全面实施自动电抄表系统具有极大的经济和社会价值，自动电抄表系统不但可以加强对用户电的监督，还增强了对电网商业化运营的监督，从而为企业的经营分析决策奠定基础。

为此我们提出了新的抄表方案——无线抄表。

无线抄表技术是指采用近距离无线通信技术和计算机网络技术来自动读取和处理表计数据。

随着无线通信数字网络的发展，无线远程自动抄表已成为发展的必然趋势，其应用领域极为广阔。

采用无线自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性、实时性，是管理部门能及时准确地获得数据信息。

同时采用无线方式还可以避免重新布线的繁琐工序，大大减少了施工周期。

此外，与有线抄表系统相比，无线抄表系统具有更好的可扩展性和出现故障时的易于维护性。

1.2国内外研究现状

远程自动抄表系统是不需要人员到达现场，使用计算机技术、通信技术、网络技术和微电子技术相结合，通过一定的网络设备建立通讯联系，具有高度集成性，集软件硬件为一体，对各种范围内电力用户实时用电量信息以及各种故障信息数据自动正确采集、传输、统计及综合分析的系统。

具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、可直接与营业计算机联网等突出优点。

采用自动抄表系统可以降低抄表人员的劳动强度、降低人为因素造成的抄表误差，并能迅速统计实时线损。

根据电能表的发展趋势，实现自动抄表主要有两种方式：

一是通过电能表本身来解决，即采用IC卡形式的电能表，用户在售电机上买电后将卡插入自己表中即可用电，预先将使用的电量记录在售电机内，实现先买电后使用；另一种就是利用自动抄表系统来解决。

目前，世界上大多数国家都以发展后者为主。

许多国家和地区都已广泛采用自动抄表系统代替传统的人工抄表，主要集中在煤气表、电量表和流量表的自动抄表，特别是煤气抄表已经有几十年的发展历史。

抄表技术的快速发展得益于80年代计算机技术、超大规模集成电路（VLSI）和通讯技术的高速发展，它们使得抄表系统在向着智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的过程中迈出了坚实的一步，达到可以大规模推广的实用性阶段。

欧美一些发达国家在70至80年代即己开始对远距离电能表数据的采集进行研究。

日本当时己经开始试用电力载波于远程抄表；美国的配电线路载波远程抄表系统己投入试运行。

80年代中期以来，美国在科罗拉多州丹佛市一家公用事业企业（PublicServiceCo.）将77万余台电表和67万余台煤气表实现了自动抄表，成为当时美国推广应用量最大的一家公司。

到了90年代以后，英国开发出低压电力线载波通讯系统Powernet具有自动抄表功能；还有利用电力载波通讯与无线通讯结合所组成的系统，还有根据情况自动选择通信方式的系统。

“1998ScottReportonAMRDeployments”资料披露，在1998年美国共有791项AMR应用项目，其中约有550万台电表实现了自动抄表。

到2001年己经有9百万美元的营业额。

在Scott报告中，截至到2003年1月，北美己经有49311372个单位使用自动抄表。

并且每年均发表关于市场份额、每个单位用表数量和表的服务类别的调查报告。

我国远程自动抄表系统的起步比国外晚。

20世纪80年代初才开始研究远程自动抄表系统。

近年来，国内远程自动抄表技术发展迅速，并形成了多种自动化抄表方式并存的格局。

我国也已经研制出基于零相载波的自动抄表系统。

国内所采用的抄表方式大致可以分为三种。

一是传统的人工抄表方式，抄表人需到用户处读取数据，返回总局后将数据重新输入电脑进行处理。

二是预付费方式，抄表人无需到用户处，用户通过银行划拨收费或到仪表管理部门购买磁卡、IC卡等，按购买额提供用量，完成收费工作。

三是远程抄表方式，监控中心通过远程通信系统（例如公用电话网、电力线载波、数据网等）自动获取远程仪表数据的方式。

当前在我国国内大量使用的仍然是传统的人工抄表方式，部分地区己经开始了远程抄表的应用，但并不广泛。

1.3论文的主要研究内容

论文围绕以下内容展开研究：

单片机系统的硬件结构、工作原理和应用方法，单片机系统开发软件的使用方法和C语言编程方法，基于单片机和zigbee无线网络传输技术的无线电力抄表系统软硬件联合设计与调试方法。

论文的目标是以单片机芯片为控制核心，利用无线网络传输技术、射频技术、可视化编程技术，设计无线电力抄表系统。

第2章无线电力抄表系统的总体设计

2.1系统的功能分析与设计

本文研究与设计的无线电力抄表系统是在一个局部范围内采用ZigBee的无线数据传输技术,把用户电表用电数据收集到一个数据集中器中,然后通过有线或者无线的方式把获得的数据信息送到数据管理中心,同时,数据管理中心可访问和控制任何一个在ZigBee网络中的设备,来实现远程控制等功能。

其中无线传输在市场上常用zigbee和GPRS网络，本文采用zigbee技术，其总体结构如图2-1所示。

本抄表系统包括:

数据采集终端、数据集中器和数据管理中心三部分。

1）数据采集终端

数据采集终端实际上是用户终端和数据集中器中间的一个桥梁,它的主要功能是通过RS485与用户电表连接并收集用电数据经过zigbee自组网方式传送给数据集中器；并且当接收到上层的命令时,数据采集终端能够向用户电表发出抄表的命令。

2）数据集中器

数据集中器是整个网络的发起者,管理整个网络的深度,担当ZigBee网络中协调器的角色,主要任务就是收集数据采集终端发出的信息,存储在本地,经过处理后,通过有线或者无线方式把数据发送到数据管理中心,同时能够接收和解析从数据管理中心传来的命令信息,来控制整个ZigBee网络。

3）数据管理中心

数据管理中心可以上网,有数据库管理系统,接收分析来自从数据集中器的信息,同时,能够通过网络发出命令信息,被数据集中器接收。

其主要功能就是数据存储、接收、远程控制。

本系统包括数据采集终端、数据集中器和数据管理中心三部分。

由于毕业设计时间有限，所以本文主要针对数据采集终端进行了研究与设计。

2.2数据采集终端的总体设计

目前国内无线电力抄表器主流的设计方案是微控制器和专用无线传输芯片相结合的方式，这种方式精度和效率都高，能够满足对电能的准确传输和控制，本文也采用这种技术路线。

根据课题设计要求，采用电源板和逻辑板的集成设计方式，系统设计方案如图2-2所示。

从图2-2可以看出，本设计共有微控制器模块、zigbee通信模块、RS485通信模块、存储器模块和电源电路模块组成，这些模块都由微控制器来完成管理和控制协调工作。

zigbee通信模块主要是负责信息的传输，即将无线接收到的外部信息传输给微控制器，或者把通过UART口接收到微控制器的信息通过zigbee网传输给外部采集中心；存储模块用来辅助存放电量数据，通过IIC总线，微控制器可以对存储器进行读写操作；RS485通信模块主要是与各计量表相连接以实现对计量数据的采集；电源模块主要是给微控制器、通信模块、存储模块供电。

2.2.1STM32F101R6T6的结构和功能特点

MCU是系统运行的控制中心，传输的电量数据必须通过MCU处理，然后进行存储和传输等操作。

在抄表器上应用较多MCU有51单片机和ARM单片机等，选择MCU时应考虑ROM和RAM的大小以存储运行程序和数据。

一般地，此类抄表器安装后，出现故障概率要非常低，这就要求选择MCU时必须考虑芯片的稳定性和安全性，同时硬件设计和软件设计都应该遵循这个原则，而且需要长时间检查和测试以确保系统稳定性和安全性。

如图2-1所示，由于MCU外围设备不多，选择MCU时需要考虑通用I/O确保有足够的接口供外部模块使用。

MCU有RS485、zigbee等各种通信模块，MCU需要有多个串行I/O口以实现对各模块的控制。

另外，存储器需要通过IIC接口来实现对存储器的访问。

综合考虑以上各种因素，最终选定ARM公司的STM32F101R6T6作为核心控制芯片。

STM32F101R6T6是ST旗下一款常用的增强型系列微控制器，STM32F101xx基本型系列使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为36MHz，内置高速存储器（高达128K字节的闪存和16K字节的SRAM），丰富的增强型外设和I/O端口联接到两条APB总线。

所有型号的器件都包含1个12位的ADC和3个通用16位定时器，还包含标准的通信接口：

2个I2C、2个SPI和3个USART。

STM32F101xx基本型系列工作于-40°C至+85°C温度范围、2.0V至3.6V工作电压范围，一系列省电模式满足低功耗应用需求。

完整的STM32F101xx基本型系列产品包括从36脚至100脚的三种不同封装形式；根据不同的封装形式，器件中的外设配置不尽相同。

STM32F101R6T6是64脚ECOPACK®封装，下面给出了该系列产品中所有外设的基本介绍。

这些丰富的外设配置，使得STM32F101xx基本型系列微控制器适用于多种应用场合：

电机驱动、应用控制、医疗手持设备、PC游戏外设、GPS平台、编程控制器（PLC）、变频器、扫描仪、打印机、警报系统、视频对讲、暖气通风、空调系统等领域。

STM32F101R6T6是STM32F10xx系列单片机的一款，它有以下特点：

1、ARM32位的Cortex-M3™CPU、36MHz、1.25DMIPS/MHz（Dhrystone2.1）、0等待的存储器访问、单周期乘法和硬件除法。

2、具有从32K字节至128K字节闪存程序存储器，从6K字节至16K字节SRAM。

3、具有2.0至3.6伏供电的I/O管脚；上电/断电复位（POR/PDR）；可编程电压监测器（PVD）；内嵌4至16MHz高速晶体振荡器；内嵌经出厂调校的8MHzRC振荡器；内部40kHz的RC振荡器；PLL供应CPU时钟；带校准的32kHzRTC振荡器。

4、具有睡眠、停机和待机模式；VBAT为RTC和后备寄存器供电。

5、有串行线调试（SWD）和JTAG调试接口。

6、7通道DMA控制器；支持的外设：

定时器、ADC、SPI、I2C和USART。

7、1个12位模数转换器，1us转换时间（16通道），转换范围是0至3.6V；具有温度传感器。

8、多达80个快速I/O口，26/37/51/80个多功能双向5V兼容的I/O口；所有I/O口可以映像到16个外部中断。

9、多达3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道；2个16位看门狗定时器（独立的和窗口型的）；系统时间定时器：

24位自减型。

10、具有2个I2C接口（SMBus/PMBus）；3个USART接口，支持ISO7816，LIN，IrDA接口和调制解调控制；2个SPI同步串行接口（18兆位/秒）。

STM32F101R6T6系统结构框图如图2-3所示。

STM32F101R6T6由以下部分构成：

1、四个驱动单元

Cortex™-M3内核、DCode总线（D-bus）、系统总线（S-bus）、通用DMA1和通用DMA2。

2、四个被动单元

内部SRAM、内部闪存存储器、FSMC、AHB到APB的桥（AHB2APBx），它连接所有的APB设备。

这些都是通过一个多级的AHB总线构架相互连接的，如图2-3所示。

3、ICode总线

该总线将Cortex™-M3内核的指令总线与闪存指令接口相连接。

指令预取在此总线上完成。

4、DCode总线

该总线将Cortex™-M3内核的DCode总线与闪存存储器的数据接口相连接（常量加载和调试访问）。

5、系统总线

此总线连接Cortex™-M3内核的系统总线（外设总线）到总线矩阵，总线矩阵协调着内核和DMA间的访问。

6、DMA总线

此总线将DMA的AHB主控接口与总线矩阵相联，总线矩阵协调着CPU的DCode和DMA到SRAM、闪存和外设的访问。

7、总线矩阵

此总线矩阵协调内核系统总线和DMA主控总线之间的访问仲裁。

此仲裁利用轮换算法。

此总线矩阵由四个驱动部件（CPU的DCode、系统总线、DMA1总线和DMA2总线）和四个被动部件（闪存存储器接口（FLITF）、SRAM、FSMC和AHB2APB桥）构成。

AHB外设通过总线矩阵与系统总线相连，允许DMA访问。

8、AHB/APB桥（APB）

两个AHB/APB桥在AHB和2个APB总线间提供同步连接。

APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速（最高72MHz）。

在每一次复位以后，所有除SRAM和FLITF以外的外设都被关闭，在使用一个外设之前，必须设置寄存器RCC_AHBENR来打开该外设的时钟。

当对APB寄存器进行8位或者16位访问时，该访问会被自动转换成32位的访问：

桥会自动将8位或者32位的数据扩展以配合32位的向量。

2.2.2电源模块的比较与选择

电源模块的选取有两种方案：

一种是线性电源，另一种是开关电源。

方案一：

采用普通三端稳压器：

室电通过变压器降压、整流滤波、三端稳压器78L05得到需要的电压。

优点是电路简单、成本低、使用方便。

方案二：

考虑到体积和功率的关系使用开关电源：

使用PWM斩波功能，控制开关管的开关，将前面整流滤波得到的电压加载到开关电源的初级变压器上面，开关电源变压器的次级就会感应出高频电压，经过整流滤波供给负载。

需要说明的是，开关电源一定要有反馈控制回路，通过反馈控制PWM的占空比，来达到输出电压稳定的目的。

此种方法的优点是功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽。

对比两种方案，由于本系统是为抄取用电数据所以要求功耗一定要小，且本装置要安装在配电柜中，所以要求体积与质量小。

对比之下我们采用了方案二。

2.2.3zigbee模块的功能分析与选择

该模块负责采集电能表的数据信息，采集终端通过RS485与电能表相连接，可以抄取单路和多路电量数据，其硬件设计包括微处理器、无线通信模块及一些外围电路，其中处理器采用STM32F101R6T6。

Zigbee模块的核心芯片是TI公司的CC25230，支持基于zigbee网络的星状、树状和网状等拓扑结构。

目前市场上生产zigbee模块的厂家比较多，本文选用了TI公司的CC2530作为无线收发芯片，是一款符合IEEE802.15.4标准的片上zigbee产品。

该芯片支持2.4GHIEEE802.15.4/zigbee协议，且内部集成了2.4GH射频收发器和一个增强型8051微处理器，还拥有一个8位输入的14位A/D模块、8KBRAM、一个16位和两个8位普通定时器以及一个16位MAC定时器，两个晶体振荡器、两个RC振荡器为系统提供时钟和定时，此外芯片还集成了复位电路、看门狗电路、串口电路等其他外设电路。

CC2530能够以非常低的成本建立强大的网络节点。

CC2530结合了具有优良性能的RF收发器、业界标准的增强型8051CPU、系统内可编程闪存、8KBRAM和许多其他强大的功能模块，CC2530具有四种不同的闪存版本，该设计应用的是CC2530F256具有256K闪存。

CC2530具有不同的运算模式，使得它尤其适应超低功耗系统。

运行模式转换时间短更进一步确保了低能源消耗。

第3章数据采集终端的硬件电路设计

数据采集终端包括主控制器STM32F101R6T6模块、电源模块、通信模块、zigbee模块、复位电路、存储器模块，本章将详细给出各个模块的硬件电路设计。

3.1主控制器STM32F101R6T6模块的硬件电路设计

基于STM32F101R6T6的单片机最小系统设计如图3-1所示，实现接收RS485串口与zigbee模块传输的数据，并对其进行解数据包、分析处理、打包发送等功能。

3.2电源模块的硬件电路设计

本系统采用的是自制5V线性直流稳压电源给系统和各模块供电，电源电路原理图如图3-2所示。

如图3-2所示，为了安全地保护电路，220V市交流电通过并联一个压敏电阻和串联一个热敏电阻，然后通过变压器、整流和滤波电路，最后通过稳压器稳压调整输出幅值稳定且纹波电压较小的直流电压供电系统使用。

本设计中有两个电源供给电路，RS485供电电路是与电源主回路隔离开来的，这样做的好处是使得RS485通信不受其他模块的影响，提高了系统的可靠性和抗干扰性。

为了变压器输出的电压较高，主要是为了使系统在低电压时可以运行，高压降就会带来一些能量的损耗，这时就应该使系统工作电流减小来补偿。

图中，VDD电压是先通过二极管半波整流出脉动的直流电，然后通过电容滤波，三端稳压器稳压实现3.3V电压输出；另一部分，VCC1即RS485部分先通过二极管半波整流出脉动的直流电，然后通过滤波、稳压实现5V电压给RS485供电。

3.3RS485通信模块的硬件电路设计

该抄表系统要求能实现与PC机之间的通信并实现无线抄表。

由于同步通信占用资源较多，而且需要外部时钟提供同步信号以提高接受数据的准确性，外围电路比较复杂，传输中出现错误，则成批数据报废。

异步通信外围电路简单、传输速度快，所以我们采用串口异步通信。

RS485通信就是一种串口异步通信标准，能够支持多对一通信，且通信距离可观，本系统采用RS485串口通信协议实现抄表器与上位机之间、抄表器与电能表之间的通信。