CC1101無(wú)線(xiàn)通信模塊的智能開(kāi)關(guān)設計

摘要：為滿(mǎn)足智能開(kāi)關(guān)在大型公共建筑物智能用電系統中的功能需要，設計了基于CC1101無(wú)線(xiàn)通信模塊的智能開(kāi)關(guān)，介紹了各組成部分的電路原理，利用STC單片機全球唯一ID研究了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方法，并詳細介紹了電量計量芯片RN8209G的校準方法。

關(guān)鍵詞：智能開(kāi)關(guān);CC1101;STC15W204S;RN8209G

引言

目前，據國家有關(guān)部門(mén)統計，國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑每平方米建筑面積年平均耗電量為85.4度(年平均85.4 kWh/m2)，約占全國城鎮總耗電量的22%，每平方米耗電量是普通居民的10～20倍，是歐洲、日本等發(fā)達國家同類(lèi)建筑的1.5～2倍。

一方面，我國大型公共建筑用電巨大，另一方面，也缺乏直接數據為用電節能決策的制定提供參考。為此，國務(wù)院令第531號《公共機構節能條例》第14條明確指出：公共機構應當實(shí)行能源消費計量制度，區分用能種類(lèi)，用能系統實(shí)行能源消費分戶(hù)、分類(lèi)、分項計量，并對能源消耗狀況實(shí)行監測，及時(shí)發(fā)現、糾正用能浪費現象。江蘇、上海等地方分別推出蘇建科[2007]217號文《江蘇省公共建筑用能計量設計規定》和滬建交[2008]828號文《關(guān)于進(jìn)一步加強本市民用建筑設備專(zhuān)業(yè)節能設計技術(shù)管理的通知》，進(jìn)一步明確提出對主要用電設施分項計量，對辦公樓、商場(chǎng)、宿舍等應計量到經(jīng)濟核算單元，對醫療病房、賓館客房、學(xué)校教室應按樓層或功能分區計量等。

由此可見(jiàn)，大型公共建筑實(shí)行電能分項計量管理，可及時(shí)發(fā)現、糾正用電浪費，并為建筑節能考核提供依據。為此，本文提出了一種成本低廉、工作可靠的基于 CC1101無(wú)線(xiàn)模塊的智能開(kāi)關(guān)，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現電壓、電流、有功功率、無(wú)線(xiàn)過(guò)載保護、功功率、電量等信息的計量與數據上報，以及具有定時(shí)通斷、狀態(tài)提示等功能，為電能分項計量管理提供了一種終端設備。

1 大型建筑物智能用電系統的拓撲結構

智能用電系統以計算機、通信設備、現場(chǎng)電力儀表計量裝置為基本工具，為實(shí)時(shí)數據采集、遠程管理與控制提供了基礎平臺。該系統主要采用分層分布式計算機網(wǎng)絡(luò )結構，分為監控管理層、網(wǎng)絡(luò )通信層和現場(chǎng)設備層。監控管理層包括一臺監控計算機以及移動(dòng)監控客戶(hù)端;網(wǎng)絡(luò )通信層包括房間控制器、智能網(wǎng)關(guān);現場(chǎng)設備層主要包括環(huán)境參數傳感器(溫濕度、光照、有害氣體等傳感器設備)、智能開(kāi)關(guān)、智能插座、房間總電量傳感器。智能用電系統的總體框圖如圖1所示。

房間控制器是房間內所有采集控制設備和上層網(wǎng)絡(luò )之間通信的橋梁，負責所管轄模塊的數據匯總上傳和上行命令的下發(fā);智能網(wǎng)關(guān)是房間無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )與LAN網(wǎng)絡(luò )建立連接的橋梁，完成無(wú)線(xiàn)數據與網(wǎng)絡(luò )數據的雙向轉換;監控中心可以制定相應的用電策略來(lái)管理整個(gè)建筑的用電情況，同時(shí)，數據可以通過(guò)LAN總線(xiàn)經(jīng)過(guò)路由器發(fā)布到Internet上，用戶(hù)即可通過(guò)移動(dòng)監控客戶(hù)端登陸網(wǎng)絡(luò )，獲取建筑物內的環(huán)境信息及用電信息，實(shí)現用電的智能化。

2 智能開(kāi)關(guān)設計方案

為了滿(mǎn)足智能開(kāi)關(guān)在大型公共建筑物智能用電系統中的功能需要，智能開(kāi)關(guān)除了保留傳統的手動(dòng)控制功能以外，還需要遠程控制、電量計量、數據上傳等功能。

2.1 智能開(kāi)關(guān)結構框圖

智能開(kāi)關(guān)結構框圖如圖2所示，包括電源模塊、主MCU、副MCU、無(wú)線(xiàn)通信模塊、電能計量模塊、繼電器模塊、按鍵等。

2.2 電源模塊設計

由于智能開(kāi)關(guān)安裝方式為86式，電路板的空間十分有限，為減小電路板面積，電路電源模塊采用廣州禹舜公司生產(chǎn)的YS-5V600MA隔離式開(kāi)關(guān)電源，與普通的穩壓電源相比，該開(kāi)關(guān)電源具有體積小巧、電磁兼容性好、輸出紋波噪聲小、精確穩壓及瞬變響應快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有溫度保護、過(guò)流保護及短路保護等功能。三端穩壓器LD1117及其外圍電容構成DC 5 V/DC 3.3 V轉換電路，以滿(mǎn)足設計要求。其原理圖如圖3所示。

2.3 電量采集模塊設計

電量采集模塊采用RN8209G電量計量芯片，外圍電路簡(jiǎn)單，支持IEC62053—22：2003標準，能夠采集單相電路的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、電量等參數。有功、無(wú)功電能脈沖分別從PF、QF引腳輸出，方便校表時(shí)與標準表進(jìn)行連接，并支持全數字的增益、相位和offset校正，可支持 SPI接口與處理器通信，具有體積小、精度高、功能強等優(yōu)點(diǎn)。其原理圖如圖4所示。

電壓采集是從零線(xiàn)和火線(xiàn)之間串接3個(gè)330 kΩ的電阻和一個(gè)1 kΩ的電阻，1 kΩ電阻分得的電壓輸入到電壓通道的正模擬輸入引腳，電壓通道的負模擬引腳經(jīng)過(guò)1 kΩ電阻與火線(xiàn)相連，經(jīng)過(guò)RN8209G內部采集與計算得到電壓參量并存放在電壓有效值寄存器中，MCU讀取電壓參量后，經(jīng)過(guò)數據處理可以得到電壓值。

電流采集是將2 mΩ錳銅分流器串接在供電回路中，當燈具工作時(shí)，錳銅分流器兩端便產(chǎn)生微小的壓降，分流器兩端經(jīng)過(guò)1 kΩ電阻器輸入到A路電流通道中，RN8209G經(jīng)過(guò)內部采集與計算得到電流參量并存放在電流有效值寄存器中，MCU讀取電流參量并經(jīng)過(guò)處理便可得到電流值。

2.4 繼電器模塊設計

智能開(kāi)關(guān)采用電磁繼電器控制電路的通斷，智能開(kāi)關(guān)的最大負載可以達到10 A，可以有效地控制各種照明設備，電路圖如圖5所示。

2. 5 無(wú)線(xiàn)通信模塊設計

無(wú)線(xiàn)通信模塊選用CC1101模塊，工作頻段為433 MHz。與WiFi、ZigBee、藍牙等無(wú)線(xiàn)通信模塊相比，CC1101具有價(jià)格低、傳輸距離遠、可操作性強等優(yōu)點(diǎn)。

無(wú)線(xiàn)通信模塊的核心芯片是TI公司生產(chǎn)的高性能CC1101芯片，具有功耗低、成本低、工作穩定等優(yōu)點(diǎn)。其內部集成了一個(gè)高度可配置的調制解調器，支持不同的調制格式，其數據傳輸率可達500kbps。通過(guò)開(kāi)啟集成的調制解調器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。

由于CC1101的通信端口為SPI口，通信時(shí)會(huì )占用許多資源，又因為其信息傳播方式為廣播模式，當通信數據量較大時(shí)主MCU工作量較大，所以加入一片 STC15W204S單片機，負責CC1101的SPI端口數據與主板單片機串口之間的信息轉發(fā)與預處理。另外，可以利用STC15W204S單片機具有全球唯一ID的特性來(lái)設計無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式。

3 智能開(kāi)關(guān)組網(wǎng)及通信可靠性設計

3.1 智能開(kāi)關(guān)組網(wǎng)設計

利用STC15W204S單片機具有全球唯一ID的特性來(lái)設計組網(wǎng)方式，其組網(wǎng)流程分為以下步驟：

①首次上電后，主板單片機向STC15W204S單片機發(fā)送索要ID命令，單片機返回ID后主板單片機將ID號保存在EEPROM中，作為自身的ID。

②按下主板上的登陸按鍵，主板單片機發(fā)出帶有ID信息和設備信息的登錄請求命令，通過(guò)CC1101廣播出去，房間控制器收到此信息后將其記錄下來(lái)，并記錄其位置。

③房間控制器保存成功后，返回帶有此設備信息的登錄成功命令，智能開(kāi)關(guān)收到此命令后便知已成功入網(wǎng)。

④房間控制器將此設備信息通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)上傳至網(wǎng)絡(luò )，監控中心便可遠程操作此智能開(kāi)關(guān)。

3.2 通信可靠性設計

由于系統終端節點(diǎn)數量龐大，為避免無(wú)線(xiàn)信道數據沖突，數據上傳方式設計為輪詢(xún)方式，但是輪詢(xún)間隔不能過(guò)長(cháng)，否則信息上傳過(guò)慢，會(huì )影響實(shí)時(shí)性。如果輪詢(xún)時(shí)仍為廣播模式，主MCU便會(huì )一直收到查詢(xún)命令，但大部分都不是本體的有效命令。為了減輕主MCU的運行負擔，保證系統的穩定工作，在設計上加入信息篩選程序，即通過(guò)副MCU進(jìn)行一次數據篩選。篩選流程分為以下步驟：

①副MCU從CC1101中讀取一組數據幀。

②判斷此數據幀中的ID信息是否與本身ID信息相同。

③如果ID信息相同，則將此數據幀發(fā)送給主MCU;如果不同，則將此數據幀刪除，不做任何處理。

4 智能開(kāi)關(guān)的校準

校準是利用標準電能表，將有功/無(wú)功能量脈沖PF/QF通過(guò)光耦直接連接到標準表上，然后根據標準電能表的誤差讀數對RN8209G進(jìn)行校正。經(jīng)過(guò)校正后，智能開(kāi)關(guān)的電壓、電流、功率測量精度均可達到0.5 s級。

通過(guò)標準電能表對RN8209G計量模塊進(jìn)行校表的流程如圖6所示。

4.1 參數設置

參數設置主要包括：B通道ADCON設置、ADC增益選擇、HFConst設置、起動(dòng)電流設置、能量累加模式設置、其他參數設置。

無(wú)需考慮防竊電功能，因此不需向B通道輸入電流信息，可設置ADCON，關(guān)閉B通道，ADC增益選擇默認增益。

RN8209外部晶振為3.579 545 MHz，HFConst的計算公式如下：

式中，Vu為電壓通道的電壓，經(jīng)220 V分壓后得到，本設計中為222 mV左右;Vi為額定電流輸入時(shí)電流通道的電壓，在本設計中為32 mV;Un是輸入電壓220 V;Ib是額定電流10 A;EC為電表常數，設定為1 600 IMP/KWH。

其他設置方法不再一一贅述。

4.2 有功校正

有功校正包括功率增益校正和相位校正。

功率增益校正可通過(guò)配置GPQA寄存器實(shí)現。在進(jìn)行功率增益校正時(shí)，將標準表設置為100%Ib，PF=1L，讀出誤差為ERR，Pgain可通過(guò)下式計算：

相位校正可通過(guò)配置PHSA寄存器實(shí)現。在進(jìn)行相位校正時(shí)，將標準表設置為100%Ib，PF=0.5L，讀出誤差為ERR，通過(guò)下式計算PHSA：

如果PHSA>0，校正值是將PHSA取整;如果PHSA0，校正值是PHSA+28后取整。

4.3 有效值校正

有效值校正包括電流offset校正、額定電流校正、額定電壓校正，具體方法不再贅述。

結語(yǔ)

智能開(kāi)關(guān)的測試主要有兩個(gè)方面：無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)距離測試和電參量精確度測試。將智能開(kāi)關(guān)接入照明回路中上電運行，經(jīng)過(guò)組網(wǎng)后，監控中心便可查詢(xún)此開(kāi)關(guān)的計量參數，實(shí)現計量功能。

通過(guò)測試，智能開(kāi)關(guān)可以有效地進(jìn)行組網(wǎng)，通過(guò)接收監控中心的命令來(lái)控制燈具的亮滅，當數據傳輸率為9 600 bps和發(fā)射功率為10 dBm時(shí)，空曠地有效通信距離可達400 m，室內測試可穿透兩層實(shí)體墻，并可將計量的電壓、電流、功率等參數上傳至網(wǎng)絡(luò )。各電參量測量精度均可達到0.5S級。

實(shí)驗結果表明，該智能插座具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、通信可靠、計量精確等特點(diǎn)，在實(shí)際應用中基本滿(mǎn)足了大型公共建筑物智能用電系統的需要。