綠色傳感網(wǎng)中智能抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著資源環(huán)境壓力的增大，低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排近來成為人們研究關(guān)注的熱點(diǎn)。圍繞著資源節(jié)約、環(huán)境友好的宏觀目標(biāo)，“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(gè)節(jié)點(diǎn)組成的面向任務(wù)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過隨機(jī)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(diǎn)場(chǎng)景模型，對(duì)基站進(jìn)行積極改造，以達(dá)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(shí)現(xiàn)有效地降低節(jié)點(diǎn)能耗，有利于延長傳感器節(jié)點(diǎn)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(shì)，綠色傳感網(wǎng)在智能用電、樓宇傳感、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)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(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)通信的實(shí)時(shí)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(yīng)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(jì)各個(gè)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(yīng)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(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更好的量測(cè)可靠性、穩(wěn)定性及節(jié)能性。智能用電中的自動(dòng)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(jí)量測(cè)體系（AMI）過渡。AMI的實(shí)現(xiàn)成為智能電網(wǎng)技術(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)AMI的基礎(chǔ)性設(shè)備，其設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)，并于2010年首次集中招標(biāo)智能電表2,000余萬只。在未來幾年內(nèi)，我國計(jì)劃安裝1.3億只智能電表，智能抄表總投資將達(dá)到380億元。

2 電表部分的設(shè)計(jì)

智能電表在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上分為幾個(gè)主要模塊，包括：計(jì)量模塊、處理器模塊、RTC時(shí)鐘模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)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(gè)電表的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖2所示。

2.1 計(jì)量模塊

計(jì)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(hào)進(jìn)行運(yùn)算，得到能量當(dāng)量脈沖、電能品質(zhì)參數(shù)等。計(jì)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(bǔ)償單元，后端則是DSP處理單元和SPI接口，可以計(jì)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(shí)值以及電流有效值和瞬時(shí)值。計(jì)量模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

STPM01與處理器構(gòu)成主從機(jī)模式計(jì)量方案。信號(hào)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(hào)發(fā)送給該計(jì)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(jì)算測(cè)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(hào)在MOP管腳輸出，看門狗信號(hào)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(shí)，MCU向計(jì)量芯片的56位OTP存貯器寫入預(yù)設(shè)校表數(shù)據(jù)，需要修改時(shí)則可以在處理器模塊中調(diào)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(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(chǔ)器和20K 字節(jié)的SRAM?？刹捎?路通用DMA直接管理存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器、設(shè)備到存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)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(hào)和能量信息，通過I2C口擴(kuò)展EEPROM存儲(chǔ)設(shè)備M24512R和RTC時(shí)鐘M41T83，通過USART接RS485通訊。在驅(qū)動(dòng)LCD模塊時(shí)，除公用初始化引腳RESET外，還使用了6個(gè)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(shí)器引腳，作為LCD信號(hào)中斷請(qǐng)求使用。另外，按照STM32 的特性，設(shè)置BOOT0，BOOT1兩位值設(shè)為0X時(shí)，模式為讀取主閃存；設(shè)為11時(shí)，模式為讀取內(nèi)置SRAM。

2.3 通訊及接口卡模塊

方案設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)示意圖如圖6所示。市電經(jīng)過雷擊、過流保護(hù)、過壓保護(hù)，濾波，整流進(jìn)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。控制開關(guān)部分采用VIPER27芯片，集成了一個(gè)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(jiǎn)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(gè)330pF/100V電容，+5V輸出繞組接入330pF/2kV電容，在PG與地之間還單獨(dú)并入防串?dāng)_電容。

2.5 軟件部分設(shè)計(jì)

結(jié)合計(jì)量芯片的底層驅(qū)動(dòng)程序，分模塊進(jìn)行電表的軟件設(shè)計(jì)。軟件主要由初始化和系統(tǒng)管理主程序，時(shí)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(gè)層次已經(jīng)有眾多的協(xié)議，如Direct Diffusion，LEACH，S-MAC，ZigBee等等，配合拓?fù)浣Y(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?qiáng)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(shì)，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(dāng)前工業(yè)界使用最廣泛的國際標(biāo)準(zhǔn)。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(jì)中，采集器、集中器均用STM32F103處理器和CC2520收發(fā)機(jī)芯片。集中器則增加GPRS模塊，作為抄表遠(yuǎn)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(gè)采集器懸掛16個(gè)智能電表單元，同時(shí)具有路由功能。網(wǎng)關(guān)為采集器現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)用管理主機(jī)。

表1 ZigBee與wirelessHART比較

4 檢測(cè)

經(jīng)過測(cè)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(dá)到0.5級(jí)，Ib =5A,Imax=60A；可以實(shí)現(xiàn)四象限電能計(jì)量，電壓、電流參數(shù)、功率因數(shù)測(cè)量和顯示；快速數(shù)字校準(zhǔn)和單線篡改檢測(cè)；可編程能量脈沖LED輸出；多費(fèi)率、預(yù)付費(fèi)帳戶管理等功能。交流電源和電池切換，功耗在交流模式時(shí)在3W范圍內(nèi)，電池模式時(shí)小于6.5mA，待機(jī)模式時(shí)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(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)試，發(fā)射節(jié)點(diǎn)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(dá)到99%以上，電表運(yùn)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(yīng)用于智能用電和AMI，設(shè)計(jì)了滿足要求的智能電表，電表使用STM32處理器，運(yùn)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(shí)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(diǎn)，使用wirelessHART協(xié)議構(gòu)建抄表本地通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(diǎn)功耗、可靠性和安全性方面有一定提高。其特點(diǎn)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(jiǎn)化了對(duì)硬件維護(hù)升級(jí)。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(yīng)用于智能用電的潛力，如進(jìn)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(wù)質(zhì)量等尚有待更深入地挖掘研究。