綠色傳感網(wǎng)中智能抄表系統設計

　　2.3 通訊及接口卡模塊

　　方案設計了RS485、電力線(xiàn)載波、紅外三種通信方式。其中電力線(xiàn)載波采用ST7570集成載波通訊芯片。接口設計了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(kāi)關(guān)電源結構，其設計示意圖如圖6所示。市電經(jīng)過(guò)雷擊、過(guò)流保護、過(guò)壓保護，濾波，整流進(jìn)入高頻變壓器，從變壓器二次側分成三路繞組，分別經(jīng)KF50B電壓調節器穩壓后引出。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?？刂崎_(kāi)關(guān)部分采用VIPER27芯片，集成了一個(gè)電流PWM開(kāi)關(guān)和N溝道的MOSFET，最小擊穿電壓為800V。二次側分成三路繞組引出，增加了一定的布線(xiàn)難度，但是簡(jiǎn)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(gè)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擾電容。

　　2.5 軟件部分設計

　　結合計量芯片的底層驅動(dòng)程序，分模塊進(jìn)行電表的軟件設計。軟件主要由初始化和系統管理主程序，時(shí)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(xiàn)載波、紅外按照用電部門(mén)既定規約通信。事件告警程序監控電表的過(guò)載、竊電和開(kāi)蓋等事件。

　　3 wireless HART及抄表通信
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　　綠色傳感網(wǎng)各個(gè)層次已經(jīng)有眾多的協(xié)議，如Direct
Diffusion，LEACH，S-MAC，ZigBee等等，配合拓撲結構，能夠提供豐富的冗余路徑，可以提高數據傳輸的可靠性，增強網(wǎng)絡(luò )抵抗環(huán)境干擾的能力。隨著(zhù)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，但是大多數無(wú)線(xiàn)抄表基于私有的通信協(xié)議，而wirelessHART建立在HART之上，是當前工業(yè)界使用最廣泛的國際標準。該協(xié)議與ZigBee的比較見(jiàn)表1。wirelessHART具有比ZigBee更高的可靠性、安全性以及更低的設備功耗，本設計中，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 )結構示意圖如圖7所示,
每一個(gè)采集器懸掛16個(gè)智能電表單元，同時(shí)具有路由功能。網(wǎng)關(guān)為采集器現場(chǎng)設備和管理主站提供接口，向下通過(guò)wirelessHART無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )收集采集器的電表數據，向上通過(guò)GPRS將數據上傳到電力部門(mén)應用管理主機。

　　4 檢測

　　經(jīng)過(guò)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(shí)現四象限電能計量，電壓、電流參數、功率因數測量和顯示；快速數字校準和單線(xiàn)篡改檢測；可編程能量脈沖LED輸出；多費率、預付費帳戶(hù)管理等功能。交流電源和電池切換，功耗在交流模式時(shí)在3W范圍內，電池模式時(shí)小于6.5mA，待機模式時(shí)小于52μA。將電表通過(guò)RS485接到基于wirelessHART協(xié)議的采集器、集中器無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)抄表，在實(shí)驗條件下進(jìn)行測試，發(fā)射節點(diǎn)功率控制在50mW之內，通信距離在200m內，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 結論

　　本文將綠色傳感網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)理念應用于智能用電和AMI，設計了滿(mǎn)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(shí)現上，將智能電表結合采集器作為傳感網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，使用wirelessHART協(xié)議構建抄表本地通信網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了電表的功能及智能抄表系統。通過(guò)協(xié)議與ZigBee協(xié)議相比較，該抄表系統在節點(diǎn)功耗、可靠性和安全性方面有一定提高。其特點(diǎn)還在于構建電表和系統的主要芯片基本在ST公司的產(chǎn)品框架內，簡(jiǎn)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)應用于智能用電的潛力，如進(jìn)一步降低系統功耗，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。