綠色傳感網(wǎng)中智能抄表系統(tǒng)設(shè)計
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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。控制開關(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?dāng)_電容。
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 wireless HART及抄表通信
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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(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。wirelessHART具有比ZigBee更高的可靠性、安全性以及更低的設(shè)備功耗，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(yīng)用管理主機。
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(zhǔn)和單線篡改檢測；可編程能量脈沖LED輸出；多費率、預(yù)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(yīng)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(yīng)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(wù)質(zhì)量等尚有待更深入地挖掘研究。
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