綠色傳感網(wǎng)中智能抄表系統(tǒng)設計

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（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。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，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，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技術的綠色傳感器網(wǎng)絡（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)絡技術應用于智能用電中，一方面是在智能用電的通信建設中設計各個層次上的算法和網(wǎng)絡協(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)技術實現(xiàn)的第一步。一般的AMI系統(tǒng)結構如圖1所示。

在設備上，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)絡上，AMI包括用戶戶內網(wǎng)絡（HAN）、智能電表與采集器之間的網(wǎng)絡、采集器與集中器之間的通信網(wǎng)絡（LAN)、數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)處理中心的網(wǎng)絡（WAN）和客戶端訪問數(shù)據(jù)處理中心的網(wǎng)絡。智能電表作為實現(xiàn)AMI的基礎性設備，其設計和生產使用受到了業(yè)界的廣泛關注。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，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 電表部分的設計

智能電表在硬件系統(tǒng)設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。計量模塊結構如圖3所示。

STPM01與處理器構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存貯器寫入預設校表數(shù)據(jù)，需要修改時則可以在處理器模塊中調整參數(shù)值，再重新寫入。

2.2 MCU模塊

處理器采用STM32F103，為基于Cortex-M3內核的32位微處理器，64管腳。處理器工作頻率為72MHz，內置128K 字節(jié)的Flash存儲器和20K 字節(jié)的SRAM。可采用7路通用DMA直接管理存儲器到存儲器、設備到存儲器和存儲器到設備的數(shù)據(jù)傳輸。電表的MCU模塊結構圖如圖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存儲設備M24512R和RTC時鐘M41T83，通過USART接RS485通訊。在驅動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，設置BOOT0，BOOT1兩位值設為0X時，模式為讀取主閃存；設為11時，模式為讀取內置SRAM。

2.3 通訊及接口卡模塊

方案設計了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。

[!--empirenews.page--]

2.4 電源模塊

電源采用開關電源結構，其設計示意圖如圖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，從變壓器二次側分成三路繞組，分別經(jīng)KF50B電壓調節(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_關部分采用VIPER27芯片，集成了一個電流PWM開關和N溝道的MOSFET，最小擊穿電壓為800V。二次側分成三路繞組引出，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。

2.5 軟件部分設計

結合計量芯片的底層驅動程序，分模塊進行電表的軟件設計。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，配合拓撲結構，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)絡抵抗環(huán)境干擾的能力。隨著AMI技術的發(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備功耗[7]，本設計中，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)絡結構示意圖如圖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)關為采集器現(xiàn)場設備和管理主站提供接口，向下通過wirelessHART無線網(wǎng)絡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，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，通信距離在200m內，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 結論

本文將綠色傳感網(wǎng)絡的技術理念應用于智能用電和AMI，設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)絡抄表實現(xiàn)上，將智能電表結合采集器作為傳感網(wǎng)中的網(wǎng)絡節(jié)點，使用wirelessHART協(xié)議構建抄表本地通信網(wǎng)絡，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。其特點還在于構建電表和系統(tǒng)的主要芯片基本在ST公司的產品框架內，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)絡技術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，改善服務質量等尚有待更深入地挖掘研究。