1 引言

自動抄表系統（Automatic Meter Reading,簡稱AMR）是指采用通訊和計算機網絡等技術自動讀取和處理表計數據，不需要人員到達現場就能完成抄讀用戶消耗電能的一種智能化管理系統，該系統包括電表級、采集器級、集中器級、主站級。電力線載波技術（PLC）是利用現有的電力線，通過載波方式將模擬或者數字信號進行傳輸的技術，但是這種技術存在電力線對載波信號造成高消減、電力線本身存在脈沖干擾及配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用等缺點，使得電力線載波技術很難在自動抄表系統中得到大規模的應用。

針對上述的組網方式，本文提出了采用微功率無線采集器來實現上行無線的組網方式，而采集器下行抄表采用傳統的有線485 方式，來完成電能表數據的采集和存儲，這種組網方式具有抄表成功率高、組網速度快和無需人工干預等特點。

2 無線采集器的硬件設計

采集器硬件采用模塊化設計，共分為三個模塊，分別為電源模塊、控制模塊和通信模塊，其中通信模塊支持微功率無線模塊和載波模塊，這樣可以根據客戶的需求選用不同的通信模塊。其原理圖如圖1 所示。

圖1 采集器原理圖

2.1 控制模塊

控制模塊采用意法半導體（ST）的STR71x 系列控制器，該系列控制器基于16/32 位高性能ARM7-TDMI RISC CPU,擁有豐富的內核和增強的I/O 功能，其內部結構如圖1 所示。STR71 系列微控制器共有4個UART 異步串口，其集成的UART 控制器支持全雙工的異步通信模式。在設計中，配置UART0 為下行抄表端口，只能是485 模式，通過軟件設置通信波特率，在默認情況下，采集器和表之間的通信波特率為1200bps; UART1 連接上行通信模塊，當采集器的通信模式被配置成無線或者載波模式時，該端口被使能，通過上行通信模塊接收和發送數據，其中無線和載波的波特率為9600bps; UART2 為紅外端口，和紅外電路一起共同構成采集器的紅外抄表口，掌機通過該端口設置采集器的參數，讀取相關的數據，波特率為1200bps; UART3 為備用通信接口，在設計中作為維護485 端口，通過該端口實現采集器的日常維護。

4 個UART 異步串口數據幀的長度都是8 位，偶校驗和一個停止位，其中UART0 的優先級最高，UART3的優先級最低。控制模塊主要是通過4 個異步串口和集中器及電能表進行通信，來接收和發送數據包，并對數據包進行解析，然后做出相應的處理，如設置參數、轉發給電能表或者讀取EEPROM 中的日凍結、月凍結數據或者整點數據，最后重新封裝，返回給相應的集中器或者電能表。

2.2 微功率無線通信模塊

只要通信收發雙方通過無線電波傳輸信息，并且發送功率限制在很小的范圍內（通常是100mW以下），就可以稱為微功率無線通信，本無線模塊正是基于微功率的設計。

2.2.1 無線通信模塊框圖

圖2 無線模塊框圖。

圖2 為無線模塊框圖，模塊芯片采用TI 公司的CC1110 無線射頻芯片，CC1110 包含了業界領先的CC1100RF 收發機和一個基于8051 核心，并具有集成32KB 閃存和外設的高性能低功耗控制器，同時還包括了4KB SRAM,數據保密（AES 安全處理器），帶最多8 路輸出的8-14 位ADC 和強大的DMA 等功能。本文設計無線模塊的工作頻率為471MHz,通信波特率為9600bps,發射功率可通過軟件調整大小。

連接無線模塊收發的兩個引腳電路采用典型的LC 巴倫電路，來實現天線與兩個差分引腳的連接；無線模塊接收到集中器發送的信號，首先經過LC 巴倫電路發送到CC1110 的RF_N 和RF_P 兩個差分引腳上，然后射頻芯片經過濾波、增益調節、模數轉換解調、解碼輸出數字信號傳給和采集器相連的Rx 引腳；采集器控制模塊收到數據后，通過解析數據做出相應的處理，把有效的數據傳給無線模塊的Tx 引腳，無線模塊通過編碼、調制、數模轉換、信號調制，然后經過LC巴倫電路把信號平衡到單端輸出的天線上發送。

2.2.2 改進型巴倫（Balun）電路

巴倫（Balun:平衡-不平衡變換器）可以實現單端與差分結構間的變換[7].圖3 是連接CC1110 射頻芯片和天線的改進型LC 巴倫電路，該巴倫電路僅有兩個同樣的電感（L1 和L2）和電容（C10 和C13）構成，作為射頻芯片CC1110 的分路器或合路器的核心電路，實現芯片兩個差分引腳RF_P和RF_N與天線之間信號的平衡-不平衡的變換。圖3 為改進型LC 巴倫電路的等效電路，當CC1110 為接收模式下時，改進型LC巴倫電路將作為一個分路器，設分路器的單端端口阻抗為，兩個平衡端口的阻抗為Zout,并且設：

其中，Zin -單端端口阻抗；

Rin -輸入端口阻抗的實部；

Xin -輸入端口阻抗的虛部；

Zout -平衡端口的阻抗；

Rout -輸出端口阻抗的實部；

Xout -輸出端口阻抗的虛部；

圖3 LC 巴倫電路的等效電路

圖3 中，從單端或輸入端口向右側或者左側看進去的阻抗為：

如果要使功率高效地從單端端口傳輸到平衡端口或從平衡端口傳輸到單端端口，就必須使ω 2LC = 1,此時巴倫的核心電路達到諧振狀態。

可以得到兩個非常重要的表達式：

這樣可以很容易根據給定的阻抗Zout和Zin算出L和C ,在本設計中Zout和Zin的阻抗為50 歐姆，使電路達到諧振的L和C 的值分別為27nH、3.9pF.當芯片處于接收模式時，LC 巴倫電路作為一個合路器，把接收到的信號送到芯片的RF_P 和RF_N 兩個引腳。

3 采集器軟件設計

采集器軟件設計按照模塊化設計，總體可分為主程序模塊、規約解析模塊、存儲模塊、端口設備模塊和時鐘模塊等。軟件處理事件可以分為兩個部分：一是采集器響應集中器命令做出相應的處理；二是采集器空閑時刻凍結數據部分，包括月凍結、日凍結和整點凍結。

3.1 采集器響應集中器命令流程

圖5 采集器響應集中器命令流程圖。

采集器響應集中器命令流程圖如圖所示：采集器在上電以后，初始化相應設備、端口，然后進入主程序模塊等待中斷的到來。當采集器的無線模塊有數據到達時，采集器的上行通道端口響應中斷并從端口的寄存器中獲取數據，然后檢驗數據幀的合法性并通過規約模塊分析數據幀，如果請求讀凍結數據，則從EEPROM 中讀取相應的凍結數據，然后封裝幀發送給無線模塊，進而發送給集中器；如果不是請求凍結讀數據，則采集器檢查完幀的合法性后轉發給電表，同時采集器回到主程序模塊等待下行抄表端口的中斷響應，如果等待超時，則發給集中器一個錯誤幀；如果電表回復，則轉發給集中器，同時把電表回復的數據幀保留在自己的RAM 中，保存的時間可以根據需要設定，最后程序進入主程序模塊等待下一次的中斷響應。

3.2 采集器凍結及補抄數據流程

圖6 采集器補抄及凍結數據流程圖。

采集器能夠接32 塊485 電能表，每塊表抄表的時間是3s,具備日凍結、月凍結、整點凍結、上電補抄，半點補抄功能。其流程圖如圖6 所示：采集器上電、初始化外圍設備以后，上電補抄標志有效，采集器判斷當前的日凍結、月凍結和整點凍結數據是否存在，如果不存在，則啟動上電補抄程序去抄讀電表數據，把抄到的當前電量作為上1 日的日凍結數據和上1 月的月凍結及當前整點的小時凍結數據存儲到EEPROM;如果上行通信沒有數據到達，且當整點標志、日凍結標志和月凍結標志為1 時，采集器會自動抄讀所連接的485 電能表，把抄到的電表電量作為相應的凍結數據存入EEPROM.

4 小結

本文介紹了基于STR71x微控制器和CC1110射頻芯片的采集器的設計方法。該無線采集器已經在山東和廣西進行了組網測試，每個無線采集器作為一個獨立的節點能夠對網絡自組自管，通過拓撲機制和網絡協議形成轉發數據的多跳網絡系統。當某節點因環境因素等情況不能和集中器建立通信時，無線模塊能夠通過相鄰節點同該節點建立通信，個別節點的失效不會影響整個網絡的通信，從實際的應用情況看，組網快、無需人工干預網絡的維護管理、運行穩定、安全可靠、可以跨臺區進行數據通信，相對于電力載波有很多優勢，因此在自動抄表系統中具有廣泛的應用前景。