基于ZigBee的電力負荷監控裝置

作者/孟獻儀 徐州和緯信電科技有限公司，董建 合肥同智幾點(diǎn)控制技術(shù)有限公司，郭健鵬 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院

　　引言

　　隨著(zhù)智能家居行業(yè)的快速發(fā)展，電力用戶(hù)對電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求越來(lái)越高，同時(shí)用戶(hù)對電網(wǎng)的擾動(dòng)也在不斷加強。為了確保安全、優(yōu)質(zhì)用電，須進(jìn)一步加強對電力負荷的管理，實(shí)現遠程監控。本裝置采用單片機實(shí)現對電力負荷監測，能夠監測電力負荷的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數等多個(gè)參數，實(shí)現負荷數據采集、超功率斷電并報警、數據無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)上傳等功能，能有效對負荷進(jìn)行監測，并通過(guò)上位機進(jìn)行遠程控制。

　　1裝置硬件

　　裝置可分為現場(chǎng)數據采集部分、控制部分和上位機部分，如圖1所示。

　　圖1 硬件組成框圖

　　1.1測量電路

　　本設計是采用上海東軟載波微電子HR7P193單片機和CSE7759芯片設計電量采集模塊為核心設計的電力負荷在線(xiàn)監測系統，應用單片機進(jìn)行數據處理， CSE7759是一款高性能電量集成芯片，其內部集成振蕩器、AD轉換等電路模塊，能自主將采樣電壓、電流轉換為脈沖，具有模擬量輸入，數字量輸出的顯著(zhù)特征，具有兩個(gè)模數轉換器ADC、內置時(shí)鐘、乘法器、濾波器等功能模塊。

　　采樣電路采用電阻采樣方式，電壓采樣是將220V市電電壓通過(guò)4個(gè)470kΩ電阻和一個(gè)1kΩ電阻串聯(lián)分壓從而得到采樣小信號電壓，電流信號采用錳銅采樣電阻，其中錳銅電阻采用2mΩ，錳銅電阻選用不宜太大，否則溫飄將會(huì )嚴重影響測量結果，其采樣的電壓、電流信號為：

　　由于在電器開(kāi)、關(guān)機時(shí)，感性負載兩端會(huì )產(chǎn)生較大的脈沖，因此設計了浪涌保護電路，浪涌保護電路由壓敏電阻和保險管組成，壓敏電阻的選?。焊鶕涣麟妷旱膬杀冻惺茈妷褐?，并考慮留有裕量，故選取10K471，保險管根據允許最大電流為10A的保險管。電路如圖2所示。

　　圖2 測量電路

　　1.2過(guò)載自動(dòng)斷電電路

　　無(wú)線(xiàn)電力負荷監測系統中用電負荷現場(chǎng)部分通過(guò)控制繼電器實(shí)現自動(dòng)斷電功能。根據負載特征，要求繼電器DC125-DC250V之間都能正常工作，且觸電容量高達10A，因此選用SRD-05VDC-SL-C型繼電器。過(guò)載自動(dòng)斷電電路如圖3所示。在電路中，通過(guò)三極管的通斷，來(lái)使繼電器工作，同時(shí)三極管的放大作用能增加驅動(dòng)能力。由于繼電器成份為線(xiàn)圈，使用D1作為續流二極管，預防繼電器斷開(kāi)時(shí)所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢擊穿三極管，毀壞設備。

　　圖3 過(guò)載自動(dòng)斷電電路

　　1.3 ZigBee無(wú)線(xiàn)通信電路

　　本設備采用的QAZ系列ZIGBEE無(wú)線(xiàn)模塊，是適應市場(chǎng)需要推出的標準ZIGBEE產(chǎn)品，它基于TI公司CC2530F256芯片，內部運行Zigbee2007/PRO協(xié)議棧，具有ZIGBEE協(xié)議的全部特性。其電壓為5V/DC供電，具有較強抗干擾能力，傳輸距離約1公里。 針對復雜的ZIGBEE協(xié)議，本模塊將協(xié)議棧嵌入模塊內部，上電后自動(dòng)組網(wǎng)，無(wú)需了解協(xié)議棧，只需要讀寫(xiě)串口，即可實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)傳輸，簡(jiǎn)單易用。

　　ZigBee的數據傳輸分為三種模式，即：點(diǎn)播、組播、廣播，本方案只設計了點(diǎn)對點(diǎn)通信方案， ZigBee模塊點(diǎn)對點(diǎn)傳輸就能完成，所以本設計只用到ZigBee三種網(wǎng)絡(luò )結構的其中的一種即星形網(wǎng)絡(luò )。圖4是通信電路系統框圖。

　　圖4 ZigBee通信電路系統框圖

　　1.3.1單片機與ZigBee電路連接

　　QAZ2421版的ZigBee模塊通過(guò)RS232接口與外界實(shí)現串口通信，RS232邏輯負為+12V，邏輯正為-12V;單片機串口電路采用TTL電平，TTL電平邏輯正為+5V，邏輯負為0V;很顯然兩者之間不能簡(jiǎn)單地用導線(xiàn)相連實(shí)現通信，如下圖在兩者之間串入MAX232電平轉換芯片，便解決了TTL與RS232電平不匹配的問(wèn)題。

圖5單片機與ZigBee電路連接

　　1.3.2單片機與ZigBee串口通信

　　一般情況下，ZigBee自組網(wǎng)可配合上位機進(jìn)行設置，從而保證成功組網(wǎng)。組網(wǎng)后，協(xié)調器的短地址默認為0x0000，為路由器單向傳輸到協(xié)調器提供了方便。但是組建網(wǎng)絡(luò )后，由于路由器的短地址是隨機的，如果單片機上應用ZigBee短地址相互通信，不易實(shí)現程序的固定化，從而給點(diǎn)對點(diǎn)傳輸造成了麻煩，因此我們采用數據+自定義地址的方法，有效地解決了上面的問(wèn)題。

　　對于自定義地址通信的問(wèn)題，由于QAZ系列ZigBee模塊擁有完整的串口指令集，因此可以通過(guò)串口設置，實(shí)現ZigBee自定義地址的修改。從這一角度上說(shuō)，只要單片機內燒錄寫(xiě)有相應自定義地址的串口程序，在電路連接成功后，便可以初始化ZigBee的自定義地址，從而達到了點(diǎn)對點(diǎn)通信的目的。

　　1.4 單片機最小系統

　　本裝置采用上海東軟載波微電子HR7P193單片機為核心控制元件。HR7P193是一款8位MCU。主要用于家電、工業(yè)控制和汽車(chē)電子等領(lǐng)域。它的工作電壓范圍為3.0V ~ 5.5V，IDLE電流：160uA Typ.動(dòng)態(tài)電流為5mA@8MHz，Typ. 系統時(shí)鐘工作頻率最高為16MHz ，內部16MHz RC時(shí)鐘，全溫度頻率精度-10%~+5%，最多29個(gè)I/O端口，8K x 15bits Code Flash(Data Flash可選)，496 x 8bits SRAM，支持ISP，IAP，ICD功能，有一個(gè)8位定時(shí)器，三個(gè)8位時(shí)基定時(shí)器，一個(gè)16位門(mén)控定時(shí)器三路單邊PWM，10位分辨率，一路UART，一路I2C接口，只支持單主控模式ADC：10位精度，5通道，自帶LCDC液晶顯示驅動(dòng)：4x13，4x17。最小系統如圖6所示。

　　圖6 主控最小系統

　　2上位機

　　上位機既可以在操作界面中顯示采集到的數據信息，又能控制相應的設備動(dòng)作。裝置的上位機是選取C++ Builder 完成的。界面如圖7所示。

　　圖7 上位機界面

　　該上位機還可以進(jìn)行3D顯示波形，單擊右鍵就會(huì )出現“曲線(xiàn)截圖、曲線(xiàn)清除、3D顯示”等功能，還可以通過(guò)左鍵把波形進(jìn)行局部放大。當單擊“開(kāi)/關(guān)”按鈕，上位機會(huì )發(fā)出命令10(十六進(jìn)制)，再次按下按鈕上位機發(fā)出命令11(十六進(jìn)制)，下位機收到命令時(shí)就能控制繼電器的閉合與關(guān)斷，從而控制現場(chǎng)設備和電網(wǎng)的連接情況，實(shí)現設備的遠程控制;同時(shí)，按鈕控制繼電器每斷開(kāi)一次，上位機顯示界面中斷電次數就會(huì )加1，達到對負荷用電情況監測的目的。

　　3結論

　　通過(guò)測試，本裝置可以實(shí)時(shí)準確地獲取用電負荷的耗電信息，并將用電信息發(fā)送給遠程監控終端;設備可通過(guò)上位機對設備進(jìn)行遠程控制，達到安全、優(yōu)質(zhì)用電的效果。