作者：四川大學電子信息學院 何毅 王勇 蔣鴻宇

    摘 要：本文提出了一種基于zigbee技術的無線抄表系統的設計方案。該方案借助zigbee技術在低速率無線通信方面的優勢，利用chipcon公司的射頻芯片cc2420，實現采集的電能數據的無線收發通信。

    關鍵詞：zigbee；cc2420；ade7753；電能計量

    引言

    與采用有線網絡通信的樓控產品相比，無線解決方案的優勢在于安裝布置的靈活性、低廉的安裝費用和對樓宇自動化系統進行重新布置的可移動性。zigbee技術產品以其低功耗、低成本以及優秀的組網能力，被廣泛認為將在未來幾年中對樓宇自動化和工業產生重大的影響。本文研究的遠程抄表系統就基于zigbee技術實現了無線自動抄表功能。

    系統硬件結構

    無線抄表系統是由多個zigbee節點所構成的網絡。zigbee技術支持3種網絡拓撲結構，即星形(star)、網狀(mesh)和樹形分簇(cluster tree)。星型結構由一個協調器節點(主設備)和一個或多個終端設備(從設備)組成。協調器是一種特殊的全功能設備(full function device，ffd)。ffd是具有轉發與路由能力的節點。終端設備可以是ffd或簡化功能設備(reduced function device，rfd)。rfd 是最小且最簡單的zigbee 節點，只發送與接收信號，并不起轉發器、路由器的作用。如果某個終端設備需要傳輸數據到另一個終端設備，它會把數據發送給協調器，然后由協調器依次將數據轉發到目標終端設備。

    本文設計的zigbee節點是星型結構中最簡單的雙節點網絡，即由一個協調器節點和一個rfd節點組成。其中，zigbee每個節點的硬件均由兩部分構成：電能測量與處理部分和無線接收/發送部分。而硬件具體實現的功能則由燒寫入單片機的程序來決定。無線抄表系統的硬件結構如圖1所示。

    圖1 無線抄表系統硬件結構框圖

    電能測量與處理模塊的工作原理

    電能數據采集模塊的核心是美國adi公司的一款高精度單相有功電能計量芯片ade7753。該芯片集成了數字積分、參考電壓源和溫度傳感器。它提供了一個和有功能量成比例的脈沖輸出(cf)和數字系統校準誤差電路(通道偏置校準、相位校準及能量校準)。該芯片適用于單相電路中有功功率、無功功率和視在功率的測量。

    ade7753有電流和電壓兩個通道，共兩路模擬量輸入，分別是電流通道v1p、v1n和電壓通道v2p、v2n。電壓信號經可編程放大器(pga)放大和模數轉換器進行a/d轉換變為數字信號，然后，電流信號經電流通道內的高通濾波器hpf濾除dc分量并數字積分后，與經相位校正后的電壓信號相乘，產生瞬時功率；此信號經低通濾波lpf2產生瞬時有功功率信號。利用功率偏差校準寄存器的值對有功功率進行校準，放入采樣波形數據寄存器中，然后對采樣波形數據寄存器的值進行累加，將功率累加值(電能值)存放在電能寄存器中，經dout引腳輸出。

    電流和電壓采集電路把交流電變為可供ade7753輸入的電壓。在電流通道中，通過di/dt微分電流傳感器實現電流/電壓變換。di/dt微分電流傳感器基于rogowski線圈原理。rogowski線圈由環繞一根長直導線排列、匝數為n的矩形空芯線圈組成。

    無線收發模塊的工作原理

    無線收發模塊主要由cc2420芯片和2.4ghz射頻天線以及相應的阻抗匹配電路組成。芯片外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和單片機接口電路三個部分。本設計采用16mhz無源晶振，其負載電容值約為22pf。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的射頻輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50ω,同時為芯片內部的功率放大器和低噪聲放大器提供直流偏置。cc2420通過４線spi口(si、so、sclk、csn)設置芯片的工作模式，并實現讀/寫緩存數據和讀/寫狀態寄存器。

    從天線接收到的射頻信號