綠色傳感網(wǎng)中智能抄表系統(tǒng)設(shè)計

　　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(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(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(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(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。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。

　　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(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?！熬G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(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(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(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。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(yù)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。可采用7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