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綠色傳感網(wǎng)中智能抄表系統(tǒng)設(shè)計

  0 引言 

  隨著資源環(huán)境壓力的增大,低碳經(jīng)濟和節(jié)能減排近來成為人們研究關(guān)注的熱點。圍繞著資源節(jié)約、環(huán)境友好的宏觀目標,“綠色信道”和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)成為一種可行性選擇。WSN是由多個節(jié)點組成的面向任務的無線自組織網(wǎng)絡(luò)。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等,能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理,并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。“綠色通信”主要采用創(chuàng)新的高效功放、多載波、分布式、智能溫控等技術(shù),配合靈活的站點場景模型,對基站進行積極改造,以達到降低能耗的目的。融合綠色通信與WSN技術(shù)的綠色傳感器網(wǎng)絡(luò)(GSN)可以實現(xiàn)有效地降低節(jié)點能耗,有利于延長傳感器節(jié)點的使用壽命,也減少了頻繁更換電池或廢棄帶來的其它環(huán)境問題。由于這些優(yōu)勢,綠色傳感網(wǎng)在智能用電、樓宇傳感、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中有著廣泛的應用前景。 

  1 綠色傳感網(wǎng)中的AMI 

  新興的智能電網(wǎng)技術(shù)涵蓋了發(fā)電、輸電、配電和用電的各個環(huán)節(jié),對通信的實時性、可靠性及其功耗等提出了新的要求。將綠色傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應用于智能用電中,一方面是在智能用電的通信建設(shè)中設(shè)計各個層次上的算法和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,包括從物理層、信道編碼、媒介訪問控制層到路由、傳輸、應用層的優(yōu)化和綜合考慮,以降低系統(tǒng)功耗,減少電磁輻射;另一方面是通過優(yōu)化智能用電中的量測設(shè)備,實現(xiàn)更好的量測可靠性、穩(wěn)定性及節(jié)能性。智能用電中的自動抄表(AMR)作為用電端智能化的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),已經(jīng)開始向高級量測體系(AMI)過渡。AMI的實現(xiàn)成為智能電網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)的第一步。一般的AMI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。


  在設(shè)備上,AMI主要包括:可控電器、智能電表、采集器、集中器、數(shù)據(jù)處理中心以及多種抄表終端。在通信網(wǎng)絡(luò)上,AMI包括用戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)(HAN)、智能電表與采集器之間的網(wǎng)絡(luò)、采集器與集中器之間的通信網(wǎng)絡(luò)(LAN)、數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)處理中心的網(wǎng)絡(luò)(WAN)和客戶端訪問數(shù)據(jù)處理中心的網(wǎng)絡(luò)。智能電表作為實現(xiàn)AMI的基礎(chǔ)性設(shè)備,其設(shè)計和生產(chǎn)使用受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。2009年11月,中國國家電網(wǎng)公司發(fā)布了智能電表新標準,并于2010年首次集中招標智能電表2,000余萬只。在未來幾年內(nèi),我國計劃安裝1.3億只智能電表,智能抄表總投資將達到380億元。 

  2 電表部分的設(shè)計 

  智能電表在硬件系統(tǒng)設(shè)計上分為幾個主要模塊,包括:計量模塊、處理器模塊、RTC時鐘模塊、顯示模塊、存儲模塊、通訊模塊和電源模塊等[4]。其中通訊模塊涉及到RS485、電力線載波、短距離無線通信等多種通訊方式的選擇。整個電表的系統(tǒng)設(shè)計框圖2所示。 


  2.1 計量模塊 

  計量模塊是智能電表的核心模塊之一,將電流采樣和電壓采樣所得的信號進行運算,得到能量當量脈沖、電能品質(zhì)參數(shù)等。計量芯片采用STPM01。該芯片前端集成了模擬的電流電壓采樣、放大、濾波和幅度、相位補償單元,后端則是DSP處理單元和SPI接口,可以計算出有功電能、無功電能、視在電能、電網(wǎng)頻率、電壓有效值和瞬時值以及電流有效值和瞬時值。計量模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。


  STPM01與處理器構(gòu)成主從機模式計量方案。信號經(jīng)過SPI口,通過ADUM1411四通道隔離器,連接至MCU的SPI管腳。MCU將初始化及校表信號發(fā)送給該計量模塊,修改其配置位APL、KMOT、MDIV、TMP等。STPM01則將配置狀態(tài)信息、計算測量數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU模塊。此處,設(shè)置APL位為0,使電壓過零信號在MOP管腳輸出,看門狗信號在MON管腳輸出。配置KMOT位,在光耦隔離后輸出3000Pulse/kWh的視在功率脈沖。校表時,MCU向計量芯片的56位OTP存貯器寫入預設(shè)校表數(shù)據(jù),需要修改時則可以在處理器模塊中調(diào)整參數(shù)值,再重新寫入。 
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  2.2 MCU模塊 

  處理器采用STM32F103,為基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器,64管腳。處理器工作頻率為72MHz,內(nèi)置128K 字節(jié)的Flash存儲器和20K 字節(jié)的SRAM??刹捎?路通用DMA直接管理存儲器到存儲器、設(shè)備到存儲器和存儲器到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。電表的MCU模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。 


  該模塊以處理器為核心,從SPI口接收STMP01送來的狀態(tài)信號和能量信息,通過I2C口擴展EEPROM存儲設(shè)備M24512R和RTC時鐘M41T83,通過USART接RS485通訊。在驅(qū)動LCD模塊時,除公用初始化引腳RESET外,還使用了6個處理器管腳作為控制端,其中PB2作為LCD背燈控制端,PB8腳為定時器引腳,作為LCD信號中斷請求使用。另外,按照STM32 的特性,設(shè)置BOOT0,BOOT1兩位值設(shè)為0X時,模式為讀取主閃存;設(shè)為11時,模式為讀取內(nèi)置SRAM。 

  2.3 通訊及接口卡模塊 

  方案設(shè)計了RS485、電力線載波、紅外三種通信方式。其中電力線載波采用ST7570集成載波通訊芯片。接口設(shè)計了ESAM卡、Smart Card以及miniUSB接口。其中,紅外通訊的電路圖如圖5所示。


  2.4 電源模塊 

  電源采用開關(guān)電源結(jié)構(gòu),其設(shè)計示意圖如圖6所示。市電經(jīng)過雷擊、過流保護、過壓保護,濾波,整流進入高頻變壓器,從變壓器二次側(cè)分成三路繞組,分別經(jīng)KF50B電壓調(diào)節(jié)器穩(wěn)壓后引出。一路給RS485通訊部分供電;一路又分為兩支,+12V一支直接給繼電器和電力載波供電,另一支經(jīng)DC-DC變換后給MCU、喚醒電路供電;第三路則給隔離、比較器及其他部分模塊供電??刂崎_關(guān)部分采用VIPER27芯片,集成了一個電流PWM開關(guān)和N溝道的MOSFET,最小擊穿電壓為800V。二次側(cè)分成三路繞組引出,增加了一定的布線難度,但是簡化了電路模塊間的隔離。為減小電磁干擾,在輸出+12V繞組接一個330pF/100V電容,+5V輸出繞組接入330pF/2kV電容,在PG與地之間還單獨并入防串擾電容。


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  2.5 軟件部分設(shè)計 

  結(jié)合計量芯片的底層驅(qū)動程序,分模塊進行電表的軟件設(shè)計。軟件主要由初始化和系統(tǒng)管理主程序,時鐘模塊程序、顯示模塊程序、電源管理程序、通訊模塊程序和事件告警程序組成。其中通訊中的電力線載波、紅外按照用電部門既定規(guī)約通信。事件告警程序監(jiān)控電表的過載、竊電和開蓋等事件。 

  3 wirelessHART及抄表通信 

  綠色傳感網(wǎng)各個層次已經(jīng)有眾多的協(xié)議,如Direct Diffusion,LEACH,S-MAC,ZigBee等等,配合拓撲結(jié)構(gòu),能夠提供豐富的冗余路徑,可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?,增強網(wǎng)絡(luò)抵抗環(huán)境干擾的能力。隨著AMI技術(shù)的發(fā)展,綠色傳感網(wǎng)用于智能抄表將是新趨勢,但是大多數(shù)無線抄表基于私有的通信協(xié)議,而wirelessHART建立在HART之上,是當前工業(yè)界使用最廣泛的國際標準。該協(xié)議與ZigBee的比較見表1[6]。wirelessHART具有比ZigBee更高的可靠性、安全性以及更低的設(shè)備功耗[7],本設(shè)計中,采集器、集中器均用STM32F103處理器和CC2520收發(fā)機芯片。集中器則增加GPRS模塊,作為抄表遠程通信信道。抄表網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示, 每一個采集器懸掛16個智能電表單元,同時具有路由功能。網(wǎng)關(guān)為采集器現(xiàn)場設(shè)備和管理主站提供接口,向下通過wirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)收集采集器的電表數(shù)據(jù),向上通過GPRS將數(shù)據(jù)上傳到電力部門應用管理主機。 


表1 ZigBee與wirelessHART比較 

  

  4 檢測 

  經(jīng)過測試,該單相智能電表工作電壓為220VAC± 20%,頻率范圍為50Hz ± 10%,精度達到0.5級,Ib =5A,Imax=60A;可以實現(xiàn)四象限電能計量,電壓、電流參數(shù)、功率因數(shù)測量和顯示;快速數(shù)字校準和單線篡改檢測;可編程能量脈沖LED輸出;多費率、預付費帳戶管理等功能。交流電源和電池切換,功耗在交流模式時在3W范圍內(nèi),電池模式時小于6.5mA,待機模式時小于52μA。將電表通過RS485接到基于wirelessHART協(xié)議的采集器、集中器無線組網(wǎng)抄表,在實驗條件下進行測試,發(fā)射節(jié)點功率控制在50mW之內(nèi),通信距離在200m內(nèi),一次性采集成功率和周期性采集成功率均達到99%以上,電表運行正常。 

  5 結(jié)論 

  本文將綠色傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)理念應用于智能用電和AMI,設(shè)計了滿足要求的智能電表,電表使用STM32處理器,運行效率優(yōu)于16位方案,而功耗增加不大。在綠色傳感網(wǎng)絡(luò)抄表實現(xiàn)上,將智能電表結(jié)合采集器作為傳感網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,使用wirelessHART協(xié)議構(gòu)建抄表本地通信網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了電表的功能及智能抄表系統(tǒng)。通過協(xié)議與ZigBee協(xié)議相比較,該抄表系統(tǒng)在節(jié)點功耗、可靠性和安全性方面有一定提高。其特點還在于構(gòu)建電表和系統(tǒng)的主要芯片基本在ST公司的產(chǎn)品框架內(nèi),簡化了對硬件維護升級。目前該智能電表方案已基本確定,而綠色傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應用于智能用電的潛力,如進一步降低系統(tǒng)功耗,提高AMI抗電磁干擾能力和通信效率,改善服務質(zhì)量等尚有待更深入地挖掘研究。