采用智能電表的居民用戶無線自動抄表系統

4軟件

4.1地址編碼

單相智能電表地址采用6個字節4位二進制碼BCD(Binary-Coded Decimal)表示。直接采用其出廠編號，采集器地址采用8個字節BCD碼表示，直接采用XBee PR0 ZB模塊出廠的唯一ID號，不可更改。集中器的地址編碼按照《Q/GDW 376.1-2009電力用戶用電信息采集器系統通信協議——主站與采集終端通信協議》(以下簡稱Q/GDW 376.1-2009)地址域的要求確定。集中器存儲其包含的采集器的地址;采集器存儲其包含的單相智能電表的地址;主站計算機系統存儲集中器、采集器及單相智能電表的地址，且與居民用戶信息建立對應關系。

4.2通信協議

采集器與單相智能電表間通信協議采用DL/T645-2007。采集器與集中器，現場手持設備與采集器間的通信幀格式設計為：幀起始字符(68H)+功能碼(FUN)+數據域長度(L)+數據域(DATA)+CRC校驗+結束符(16H)。XBee PR0 ZB通信模塊提供AT指令及應用編程接口API(ApplicationProgramming Interface)等2種通信方式。API方式可指定任意通信目標節點，具有校驗域，且本身具有數據重發機制，可保證數據準確到達目標節點，故采用API通信方式。現場手持設備與集中器，集中器與主站軟件間通信遵循國標Q/GDW 376.1-2009。

4.3通信軟件

(1)采集器與集中器間通信軟件

采集器與集中器間數據傳輸需路由，通信采用ZigBee Pro無線傳感器網絡。ZigBee協議在IEEE802.15.4基礎上定義了網絡層以支持網絡路由功能，該協議具有抗干擾能力強、網絡容量大、網絡的自組織自愈能力強等特點，網絡由協調器、路由器和終端設備3種通信節點組成。協調器選擇一個PANID和信道啟動一個網絡后也可充當路由器。協調器和路由器允許其他通信節點加入這個網絡，能夠路由數據;終端設備不能路由數據，在不收發數據時可以休眠。當通信節點加入網絡時，加入的通信節點為子節點，允許子節點加入的通信節點為父節點，1個父節點最多有8個子節點。ZigBee聯盟推出了ZigBee 1.0、ZigBee 2006及ZigBee Pro等3個版本的協議棧，與另外2個協議棧相比，ZigBee Pro在隨機地址分配、網絡路由、組播、網絡安全等方面作了改進。

通過Digi公司提供的XBee PR0 ZB模塊配置軟件將采集器的XBee PR0 ZB模塊設置為路由器，集中器的XBee PR0 ZB模塊設置為協調器，系統中沒有終端設備。同時利用模塊配置軟件軟件對XBeePR0 ZB模塊的通信模式及其他相關參數進行合理設置，采集器的CPU將數據通過UART發給參數已正確配置的XBee PR0 ZB模塊，XBee PR0 ZB模塊自動按照ZigBee Pro協議建立路由連接，尋找路徑，將數據發送到目的地址。參數設置內容包括：網絡、地址、射頻RF(Radio Freqency)接口、網絡安全、串行接口、休眠方式、I/O設置、診斷命令等。下面介紹系統用到的主要參數設置。

1)掃描信道。網絡由協調器負責創建，在組建網絡時，協調器要進行通道的能量掃描，找出不同通道的RF活動水平，以避免協調器在高能量通道區組網。同樣，路由器和終端設備在加入網絡時，也要進行同樣的通道掃描。

2)掃描PAN ID。路由器或終端節點在加入ZigBee網絡前要進行PAN掃描，將加入任何檢測到的網絡，并繼承該網絡的PAN ID。一般需設置節點的64位PAN ID，16位PAN ID在其加入網絡時自動獲得。

3)目標地址。當采集器加入網絡時，使用64位地址進行通信。成功加入網絡后，網絡會為采集器分配一個16位的網絡地址。這樣采集器便可使用該地址與網絡中的其它采集器或集中器進行通信。

4)串口通信參數。包括：波特率、校驗方式、流控制等。

5)數據傳輸模式。與AT模式相比API模式具有易于管理一個到多個目標節點的數據傳輸，接收到的數據幀可以指示發送設備地址，支持高級ZigBee地址，高級網絡故障診斷和遠程參數配置等特點。采集器與集中器之間需進行雙向數據傳輸，數據傳輸方式采用API模式。

6)數據路由。ZigBee Pro協議棧包含3種不同的數據路由方法：基于距離矢量的按需AODV(ADhoc On-demand Distance Vector)網狀路由，多對一路由，源節點路由。其中多對一路由和源節點路由是ZigBee Pro協議棧新增加的數據路由方法。當多個采集器有事件發生且需要發送數據到集中器。若采用AODV網狀路由則需要大的網絡通信開銷，網絡中的每個采集器在發送數據到集中器前都要進行路由路徑的探尋，網絡將會因路由探尋廣播而性能降低或癱瘓。因此，采集器間與集中器間通信采用ZigBee Pro協議棧所提供的多對一路由。從集中器發出單一的多對一廣播傳輸在所有采集器上建立反向路徑，而不要求各個采集器進行路由發現。

7)網絡安全。ZigBee Pro網絡采用2個安全鑰匙、1個信任中心及128位AES加密等保證數據通信的安全。設置協調器為信任中心，使能安全功能，預設網絡安全鑰匙和應用鏈接鑰匙，則協調器負責路由器或終端設備加入網絡的驗證。路由器或終端設備加入網絡前其應用鑰匙要設置與協調器一致。新節點加入網絡時將收到協調器發送的由應用鏈接鑰匙加密的網絡安全鑰匙，解密后可獲得網絡安全鑰匙。具有相同安全鑰匙的兩個節點才能進行數據交換。系統通過對網絡安全鑰匙、幀計數器、是否允許新節點加入等的管理來提高網絡通信的安全性。

(2)集中器與主站間通信軟件

集中器軟件采用Dynamic C設計，Dynamic C是一個專門為Z-World產品創建的集成C編譯器、編輯器、鏈接器、裝載器和調試器。Dynamic C中包含標準C函數庫，特定板外圍驅動，芯片外圍設備和相關功能的源代碼，語言上擴展多任務，支持匯編代碼與C代碼混用，易于在嵌入式系統上進行實時編程，可有效縮短開發周期。

集中器完成的功能包括：①采集各電能表的實時電能示值、日零點凍結電能示值、抄表日零點凍結電能示值;②按要求對采集數據進行分類存儲，如日數據、月數據、抄表日數據、凍結曲線等。曲線凍結數據密度由主站設置，最小凍結密度為1h;③分類存儲下列數據：每個客戶電能表至少31個日零點凍結電能數據，12個月末凍結電能數據;20個重點用戶10天的24點實時電能數據;④具有重點用戶管理功能。可以選定某些用戶為重點用戶，對其電能表進行重點管理;⑤具有參數設置和查詢功能，事件處理和告警功能。基于μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統設計集中器軟件，該操作系統支持多任務，適合集中器復雜軟件設計的要求。基于μC/OS-Ⅱ操作系統的應用設計需進行任務劃分及任務優先級分配。按集中器實現的功能劃分任務：與采集器通信任務，與主站計算機通信任務，與手持設備通信任務，電量數據處理分析任務，運行狀態信號燈指示任務等。依據任務實時性要求為各任務分配優先級，優先級范圍為1-64，數字越小，表示優先級越高，其中64被μC/OS-Ⅱ系統的空閑任務占用，實際可用優先級范圍為1-63。此外還需按照各個任務所處理數據量的大小，給每個任務分配大小合適的棧空間。任務間相對獨立，通過全局變量、信號量等機制通信，各個任務分別編寫，可提高軟件開發效率且有助于軟件的升級維護。下面主要介紹集中器與主站計算機通信任務實現的關鍵。