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4软件

4.1地址编码

单相智能电表地址采用6个字节4位二进制码BCD(Binary-Coded Decimal)表示。直接采用其出厂编号，采集器地址采用8个字节BCD码表示，直接采用XBee PR0 ZB模块出厂的唯一ID号，不可更改。集中器的地址编码按照《Q/GDW 376.1-2009电力用户用电信息采集器系统通信协议——主站与采集终端通信协议》(以下简称Q/GDW 376.1-2009)地址域的要求确定。集中器存储其包含的采集器的地址;采集器存储其包含的单相智能电表的地址;主站计算机系统存储集中器、采集器及单相智能电表的地址，且与居民用户信息建立对应关系。

4.2通信协议

采集器与单相智能电表间通信协议采用DL/T645-2007。采集器与集中器，现场手持设备与采集器间的通信帧格式设计为：帧起始字符(68H)+功能码(FUN)+数据域长度(L)+数据域(DATA)+CRC校验+结束符(16H)。XBee PR0 ZB通信模块提供AT指令及应用编程接口API(ApplicationProgramming Interface)等2种通信方式。API方式可指定任意通信目标节点，具有校验域，且本身具有数据重发机制，可保证数据准确到达目标节点，故采用API通信方式。现场手持设备与集中器，集中器与主站软件间通信遵循国标Q/GDW 376.1-2009。

4.3通信软件

(1)采集器与集中器间通信软件

采集器与集中器间数据传输需路由，通信采用ZigBee Pro无线传感器网络。ZigBee协议在IEEE802.15.4基础上定义了网络层以支持网络路由功能，该协议具有抗干扰能力强、网络容量大、网络的自组织自愈能力强等特点，网络由协调器、路由器和终端设备3种通信节点组成。协调器选择一个PANID和信道启动一个网络后也可充当路由器。协调器和路由器允许其他通信节点加入这个网络，能够路由数据;终端设备不能路由数据，在不收发数据时可以休眠。当通信节点加入网络时，加入的通信节点为子节点，允许子节点加入的通信节点为父节点，1个父节点最多有8个子节点。ZigBee联盟推出了ZigBee 1.0、ZigBee 2006及ZigBee Pro等3个版本的协议栈，与另外2个协议栈相比，ZigBee Pro在随机地址分配、网络路由、组播、网络安全等方面作了改进。

通过Digi公司提供的XBee PR0 ZB模块配置软件将采集器的XBee PR0 ZB模块设置为路由器，集中器的XBee PR0 ZB模块设置为协调器，系统中没有终端设备。同时利用模块配置软件软件对XBeePR0 ZB模块的通信模式及其他相关参数进行合理设置，采集器的CPU将数据通过UART发给参数已正确配置的XBee PR0 ZB模块，XBee PR0 ZB模块自动按照ZigBee Pro协议建立路由连接，寻找路径，将数据发送到目的地址。参数设置内容包括：网络、地址、射频RF(Radio Freqency)接口、网络安全、串行接口、休眠方式、I/O设置、诊断命令等。下面介绍系统用到的主要参数设置。

1)扫描信道。网络由协调器负责创建，在组建网络时，协调器要进行通道的能量扫描，找出不同通道的RF活动水平，以避免协调器在高能量通道区组网。同样，路由器和终端设备在加入网络时，也要进行同样的通道扫描。

2)扫描PAN ID。路由器或终端节点在加入ZigBee网络前要进行PAN扫描，将加入任何检测到的网络，并继承该网络的PAN ID。一般需设置节点的64位PAN ID，16位PAN ID在其加入网络时自动获得。

3)目标地址。当采集器加入网络时，使用64位地址进行通信。成功加入网络后，网络会为采集器分配一个16位的网络地址。这样采集器便可使用该地址与网络中的其它采集器或集中器进行通信。

4)串口通信参数。包括：波特率、校验方式、流控制等。

5)数据传输模式。与AT模式相比API模式具有易于管理一个到多个目标节点的数据传输，接收到的数据帧可以指示发送设备地址，支持高级ZigBee地址，高级网络故障诊断和远程参数配置等特点。采集器与集中器之间需进行双向数据传输，数据传输方式采用API模式。

6)数据路由。ZigBee Pro协议栈包含3种不同的数据路由方法：基于距离矢量的按需AODV(ADhoc On-demand Distance Vector)网状路由，多对一路由，源节点路由。其中多对一路由和源节点路由是ZigBee Pro协议栈新增加的数据路由方法。当多个采集器有事件发生且需要发送数据到集中器。若采用AODV网状路由则需要大的网络通信开销，网络中的每个采集器在发送数据到集中器前都要进行路由路径的探寻，网络将会因路由探寻广播而性能降低或瘫痪。因此，采集器间与集中器间通信采用ZigBee Pro协议栈所提供的多对一路由。从集中器发出单一的多对一广播传输在所有采集器上建立反向路径，而不要求各个采集器进行路由发现。

7)网络安全。ZigBee Pro网络采用2个安全钥匙、1个信任中心及128位AES加密等保证数据通信的安全。设置协调器为信任中心，使能安全功能，预设网络安全钥匙和应用链接钥匙，则协调器负责路由器或终端设备加入网络的验证。路由器或终端设备加入网络前其应用钥匙要设置与协调器一致。新节点加入网络时将收到协调器发送的由应用链接钥匙加密的网络安全钥匙，解密后可获得网络安全钥匙。具有相同安全钥匙的两个节点才能进行数据交换。系统通过对网络安全钥匙、帧计数器、是否允许新节点加入等的管理来提高网络通信的安全性。

(2)集中器与主站间通信软件

集中器软件采用Dynamic C设计，Dynamic C是一个专门为Z-World产品创建的集成C编译器、编辑器、链接器、装载器和调试器。Dynamic C中包含标准C函数库，特定板外围驱动，芯片外围设备和相关功能的源代码，语言上扩展多任务，支持汇编代码与C代码混用，易于在嵌入式系统上进行实时编程，可有效缩短开发周期。

集中器完成的功能包括：①采集各电能表的实时电能示值、日零点冻结电能示值、抄表日零点冻结电能示值;②按要求对采集数据进行分类存储，如日数据、月数据、抄表日数据、冻结曲线等。曲线冻结数据密度由主站设置，最小冻结密度为1h;③分类存储下列数据：每个客户电能表至少31个日零点冻结电能数据，12个月末冻结电能数据;20个重点用户10天的24点实时电能数据;④具有重点用户管理功能。可以选定某些用户为重点用户，对其电能表进行重点管理;⑤具有参数设置和查询功能，事件处理和告警功能。基于μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统设计集中器软件，该操作系统支持多任务，适合集中器复杂软件设计的要求。基于μC/OS-Ⅱ操作系统的应用设计需进行任务划分及任务优先级分配。按集中器实现的功能划分任务：与采集器通信任务，与主站计算机通信任务，与手持设备通信任务，电量数据处理分析任务，运行状态信号灯指示任务等。依据任务实时性要求为各任务分配优先级，优先级范围为1-64，数字越小，表示优先级越高，其中64被μC/OS-Ⅱ系统的空闲任务占用，实际可用优先级范围为1-63。此外还需按照各个任务所处理数据量的大小，给每个任务分配大小合适的栈空间。任务间相对独立，通过全局变量、信号量等机制通信，各个任务分别编写，可提高软件开发效率且有助于软件的升级维护。下面主要介绍集中器与主站计算机通信任务实现的关键。

关键词： 智能电表 民用 无线 自动抄表系统