綠色傳感網(wǎng)中智能抄表系統設計

　　引言

　　隨著(zhù)資源環(huán)境壓力的增大，低碳經(jīng)濟和節能減排近來(lái)成為人們研究關(guān)注的熱點(diǎn)。圍繞著(zhù)資源節約、環(huán)境友好的宏觀(guān)目標，“綠色信道”和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）成為一種可行性選擇。WSN是由多個(gè)節點(diǎn)組成的面向任務(wù)的無(wú)線(xiàn)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)、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監測、感知和采集各種環(huán)境或監測對象的信息，通過(guò)嵌入式系統對信息進(jìn)行處理，并通過(guò)隨機自組織無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶(hù)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(diǎn)場(chǎng)景模型，對基站進(jìn)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(shí)現有效地降低節點(diǎn)能耗，有利于延長(cháng)傳感器節點(diǎn)的使用壽命，也減少了頻繁更換電池或廢棄帶來(lái)的其它環(huán)境問(wèn)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)境監測系統中有著(zhù)廣泛的應用前景。

　　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(gè)環(huán)節，對通信的實(shí)時(shí)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)應用于智能用電中，一方面是在智能用電的通信建設中設計各個(gè)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(fǎng)問(wèn)控制層到路由、傳輸、應用層的優(yōu)化和綜合考慮，以降低系統功耗，減少電磁輻射；另一方面是通過(guò)優(yōu)化智能用電中的量測設備，實(shí)現更好的量測可靠性、穩定性及節能性。智能用電中的自動(dòng)抄表（AMR)作為用電端智能化的基礎環(huán)節，已經(jīng)開(kāi)始向高級量測體系（AMI）過(guò)渡。AMI的實(shí)現成為智能電網(wǎng)技術(shù)實(shí)現的第一步。一般的AMI系統結構如圖1所示。

　　在設備上，AMI主要包括：可控電器、智能電表、采集器、集中器、數據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(hù)戶(hù)內網(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)、數據集中器與數據處理中心的網(wǎng)絡(luò )（WAN）和客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)數據處理中心的網(wǎng)絡(luò )。智能電表作為實(shí)現AMI的基礎性設備，其設計和生產(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(wàn)只。在未來(lái)幾年內，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 電表部分的設計

　　智能電表在硬件系統設計上分為幾個(gè)主要模塊，包括：計量模塊、處理器模塊、RTC時(shí)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(xiàn)載波、短距離無(wú)線(xiàn)通信等多種通訊方式的選擇。整個(gè)電表的系統設計框圖2所示。

　　引言

　　隨著(zhù)資源環(huán)境壓力的增大，低碳經(jīng)濟和節能減排近來(lái)成為人們研究關(guān)注的熱點(diǎn)。圍繞著(zhù)資源節約、環(huán)境友好的宏觀(guān)目標，“綠色信道”和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）成為一種可行性選擇。WSN是由多個(gè)節點(diǎn)組成的面向任務(wù)的無(wú)線(xiàn)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)、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監測、感知和采集各種環(huán)境或監測對象的信息，通過(guò)嵌入式系統對信息進(jìn)行處理，并通過(guò)隨機自組織無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶(hù)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(diǎn)場(chǎng)景模型，對基站進(jìn)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(shí)現有效地降低節點(diǎn)能耗，有利于延長(cháng)傳感器節點(diǎn)的使用壽命，也減少了頻繁更換電池或廢棄帶來(lái)的其它環(huán)境問(wèn)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)境監測系統中有著(zhù)廣泛的應用前景。

　　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(gè)環(huán)節，對通信的實(shí)時(shí)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)應用于智能用電中，一方面是在智能用電的通信建設中設計各個(gè)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(fǎng)問(wèn)控制層到路由、傳輸、應用層的優(yōu)化和綜合考慮，以降低系統功耗，減少電磁輻射；另一方面是通過(guò)優(yōu)化智能用電中的量測設備，實(shí)現更好的量測可靠性、穩定性及節能性。智能用電中的自動(dòng)抄表（AMR)作為用電端智能化的基礎環(huán)節，已經(jīng)開(kāi)始向高級量測體系（AMI）過(guò)渡。AMI的實(shí)現成為智能電網(wǎng)技術(shù)實(shí)現的第一步。一般的AMI系統結構如圖1所示。

　　在設備上，AMI主要包括：可控電器、智能電表、采集器、集中器、數據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(hù)戶(hù)內網(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)、數據集中器與數據處理中心的網(wǎng)絡(luò )（WAN）和客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)數據處理中心的網(wǎng)絡(luò )。智能電表作為實(shí)現AMI的基礎性設備，其設計和生產(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(wàn)只。在未來(lái)幾年內，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 電表部分的設計

　　智能電表在硬件系統設計上分為幾個(gè)主要模塊，包括：計量模塊、處理器模塊、RTC時(shí)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(xiàn)載波、短距離無(wú)線(xiàn)通信等多種通訊方式的選擇。整個(gè)電表的系統設計框圖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(jìn)行運算，得到能量當量脈沖、電能品質(zhì)參數等。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(wú)功電能、視在電能、電網(wǎng)頻率、電壓有效值和瞬時(shí)值以及電流有效值和瞬時(shí)值。計量模塊結構如圖3所示。

　　STPM01與處理器構成主從機模式計量方案。信號經(jīng)過(guò)SPI口，通過(guò)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、計算測量數據發(fā)送給MCU模塊。此處，設置APL位為0，使電壓過(guò)零信號在MOP管腳輸出，看門(mén)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(shí)，MCU向計量芯片的56位OTP存貯器寫(xiě)入預設校表數據，需要修改時(shí)則可以在處理器模塊中調整參數值，再重新寫(xiě)入。

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　　2.2 MCU模塊

　　處理器采用STM32F103，為基于Cortex-M3內核的32位微處理器，64管腳。處理器工作頻率為72MHz，內置128K
字節的Flash存儲器和20K
字節的SRAM?？刹捎?路通用DMA直接管理存儲器到存儲器、設備到存儲器和存儲器到設備的數據傳輸。電表的MCU模塊結構圖如圖4所示。

　　該模塊以處理器為核心，從SPI口接收STMP01送來(lái)的狀態(tài)信號和能量信息，通過(guò)I2C口擴展EEPROM存儲設備M24512R和RTC時(shí)鐘M41T83，通過(guò)USART接RS485通訊。在驅動(dòng)LCD模塊時(shí)，除公用初始化引腳RESET外，還使用了6個(gè)處理器管腳作為控制端，其中PB2作為L(cháng)CD背燈控制端，PB8腳為定時(shí)器引腳，作為L(cháng)CD信號中斷請求使用。另外，按照STM32
的特