绿色传感网中智能抄表系统设计

0 引言

随着资源环境压力的增大，低碳经济和节能减排近来成为人们研究关注的热点。围绕着资源节约、环境友好的宏观目标，“绿色信道”和无线传感器网络（WSN）成为一种可行性选择。WSN是由多个节点组成的面向任务的无线自组织网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。“绿色通信”主要采用创新的高效功放、多载波、分布式、智能温控等技术，配合灵活的站点场景模型，对基站进行积极改造，以达到降低能耗的目的。融合绿色通信与WSN技术的绿色传感器网络（GSN）可以实现有效地降低节点能耗，有利于延长传感器节点的使用寿命，也减少了频繁更换电池或废弃带来的其它环境问题。由于这些优势，绿色传感网在智能用电、楼宇传感、环境监测系统中有着广泛的应用前景。

1 绿色传感网中的AMI

新兴的智能电网技术涵盖了发电、输电、配电和用电的各个环节，对通信的实时性、可靠性及其功耗等提出了新的要求。将绿色传感网络技术应用于智能用电中，一方面是在智能用电的通信建设中设计各个层次上的算法和网络协议，包括从物理层、信道编码、媒介访问控制层到路由、传输、应用层的优化和综合考虑，以降低系统功耗，减少电磁辐射；另一方面是通过优化智能用电中的量测设备，实现更好的量测可靠性、稳定性及节能性。智能用电中的自动抄表（AMR)作为用电端智能化的基础环节，已经开始向高级量测体系（AMI）过渡。AMI的实现成为智能电网技术实现的第一步。一般的AMI系统结构如图1所示。

在设备上，AMI主要包括：可控电器、智能电表、采集器、集中器、数据处理中心以及多种抄表终端。在通信网络上，AMI包括用户户内网络（HAN）、智能电表与采集器之间的网络、采集器与集中器之间的通信网络（LAN)、数据集中器与数据处理中心的网络（WAN）和客户端访问数据处理中心的网络。智能电表作为实现AMI的基础性设备，其设计和生产使用受到了业界的广泛关注。2009年11月，中国国家电网公司发布了智能电表新标准，并于2010年首次集中招标智能电表2,000余万只。在未来几年内，我国计划安装1.3亿只智能电表，智能抄表总投资将达到380亿元。

2 电表部分的设计

智能电表在硬件系统设计上分为几个主要模块，包括：计量模块、处理器模块、RTC时钟模块、显示模块、存储模块、通讯模块和电源模块等[4]。其中通讯模块涉及到RS485、电力线载波、短距离无线通信等多种通讯方式的选择。整个电表的系统设计框图2所示。

2.1 计量模块

计量模块是智能电表的核心模块之一，将电流采样和电压采样所得的信号进行运算，得到能量当量脉冲、电能品质参数等。计量芯片采用STPM01。该芯片前端集成了模拟的电流电压采样、放大、滤波和幅度、相位补偿单元，后端则是DSP处理单元和SPI接口，可以计算出有功电能、无功电能、视在电能、电网频率、电压有效值和瞬时值以及电流有效值和瞬时值。计量模块结构如图3所示。

STPM01与处理器构成主从机模式计量方案。信号经过SPI口，通过ADUM1411四通道隔离器，连接至MCU的SPI管脚。MCU将初始化及校表信号发送给该计量模块，修改其配置位APL、KMOT、MDIV、TMP等。STPM01则将配置状态信息、计算测量数据发送给MCU模块。此处，设置APL位为0，使电压过零信号在MOP管脚输出，看门狗信号在MON管脚输出。配置KMOT位，在光耦隔离后输出3000Pulse/kWh的视在功率脉冲。校表时，MCU向计量芯片的56位OTP存贮器写入预设校表数据，需要修改时则可以在处理器模块中调整参数值，再重新写入。

2.2 MCU模块

处理器采用STM32F103，为基于Cortex-M3内核的32位微处理器，64管脚。处理器工作频率为72MHz，内置128K 字节的Flash存储器和20K 字节的SRAM。可采用7路通用DMA直接管理存储器到存储器、设备到存储器和存储器到设备的数据传输。电表的MCU模块结构图如图4所示。

该模块以处理器为核心，从SPI口接收STMP01送来的状态信号和能量信息，通过I2C口扩展EEPROM存储设备M24512R和RTC时钟M41T83，通过USART接RS485通讯。在驱动LCD模块时，除公用初始化引脚RESET外，还使用了6个处理器管脚作为控制端，其中PB2作为LCD背灯控制端，PB8脚为定时器引脚，作为LCD信号中断请求使用。另外，按照STM32 的特性，设置BOOT0，BOOT1两位值设为0X时，模式为读取主闪存；设为11时，模式为读取内置SRAM。

2.3 通讯及接口卡模块

方案设计了RS485、电力线载波、红外三种通信方式。其中电力线载波采用ST7570集成载波通讯芯片。接口设计了ESAM卡、Smart Card以及miniUSB接口。其中，红外通讯的电路图如图5所示。

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2.4 电源模块

电源采用开关电源结构，其设计示意图如图6所示。市电经过雷击、过流保护、过压保护，滤波，整流进入高频变压器，从变压器二次侧分成三路绕组，分别经KF50B电压调节器稳压后引出。一路给RS485通讯部分供电；一路又分为两支，+12V一支直接给继电器和电力载波供电，另一支经DC-DC变换后给MCU、唤醒电路供电；第三路则给隔离、比较器及其他部分模块供电。控制开关部分采用VIPER27芯片，集成了一个电流PWM开关和N沟道的MOSFET，最小击穿电压为800V。二次侧分成三路绕组引出，增加了一定的布线难度，但是简化了电路模块间的隔离。为减小电磁干扰，在输出+12V绕组接一个330pF/100V电容，+5V输出绕组接入330pF/2kV电容，在PG与地之间还单独并入防串扰电容。

2.5 软件部分设计

结合计量芯片的底层驱动程序，分模块进行电表的软件设计。软件主要由初始化和系统管理主程序，时钟模块程序、显示模块程序、电源管理程序、通讯模块程序和事件告警程序组成。其中通讯中的电力线载波、红外按照用电部门既定规约通信。事件告警程序监控电表的过载、窃电和开盖等事件。

3 wirelessHART及抄表通信

绿色传感网各个层次已经有众多的协议，如Direct Diffusion，LEACH，S-MAC，ZigBee等等，配合拓扑结构，能够提供丰富的冗余路径，可以提高数据传输的可靠性，增强网络抵抗环境干扰的能力。随着AMI技术的发展，绿色传感网用于智能抄表将是新趋势，但是大多数无线抄表基于私有的通信协议，而wirelessHART建立在HART之上，是当前工业界使用最广泛的国际标准。该协议与ZigBee的比较见表1[6]。wirelessHART具有比ZigBee更高的可靠性、安全性以及更低的设备功耗[7]，本设计中，采集器、集中器均用STM32F103处理器和CC2520收发机芯片。集中器则增加GPRS模块，作为抄表远程通信信道。抄表网络结构示意图如图7所示, 每一个采集器悬挂16个智能电表单元，同时具有路由功能。网关为采集器现场设备和管理主站提供接口，向下通过wirelessHART无线网络收集采集器的电表数据，向上通过GPRS将数据上传到电力部门应用管理主机。

表1 ZigBee与wirelessHART比较

4 检测

经过测试，该单相智能电表工作电压为220VAC± 20%，频率范围为50Hz ± 10%，精度达到0.5级，Ib =5A,Imax=60A；可以实现四象限电能计量，电压、电流参数、功率因数测量和显示；快速数字校准和单线篡改检测；可编程能量脉冲LED输出；多费率、预付费帐户管理等功能。交流电源和电池切换，功耗在交流模式时在3W范围内，电池模式时小于6.5mA，待机模式时小于52μA。将电表通过RS485接到基于wirelessHART协议的采集器、集中器无线组网抄表，在实验条件下进行测试，发射节点功率控制在50mW之内，通信距离在200m内，一次性采集成功率和周期性采集成功率均达到99%以上，电表运行正常。

5 结论

本文将绿色传感网络的技术理念应用于智能用电和AMI，设计了满足要求的智能电表，电表使用STM32处理器，运行效率优于16位方案，而功耗增加不大。在绿色传感网络抄表实现上，将智能电表结合采集器作为传感网中的网络节点，使用wirelessHART协议构建抄表本地通信网络，实现了电表的功能及智能抄表系统。通过协议与ZigBee协议相比较，该抄表系统在节点功耗、可靠性和安全性方面有一定提高。其特点还在于构建电表和系统的主要芯片基本在ST公司的产品框架内，简化了对硬件维护升级。目前该智能电表方案已基本确定，而绿色传感网络技术应用于智能用电的潜力，如进一步降低系统功耗，提高AMI抗电磁干扰能力和通信效率，改善服务质量等尚有待更深入地挖掘研究。