張 玲，李經(jīng)章，何 偉

(重慶大學(xué)通信工程學(xué)院，重慶400044)

0 引言

供電局通常在電網(wǎng)上裝配了大量的配電柜來保障供電，一些不法分子在配電柜的進(jìn)線線路引線并掛接電器工作，由于所消耗的電流不流經(jīng)電表，從而不能為其計費(fèi)，給供電局造成了直接經(jīng)濟(jì)損失。

針對實(shí)時防盜電的功能要求，本文設(shè)計了以STM32單片機(jī)為核心的防盜電系統(tǒng)［1］，采用ATT7022芯片測量電力線路的電流，對測量結(jié)果進(jìn)行分析，采用浮動閾值的方法，通過CC1101進(jìn)行433 MHz無線通信，開發(fā)了測量精度高、安裝方便、可有效防止盜電情況發(fā)生的監(jiān)控系統(tǒng)。

1 防盜電系統(tǒng)方案設(shè)計

防盜電系統(tǒng)功能通過2個設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，分別是電流測量設(shè)備和主監(jiān)控設(shè)備。電流測量設(shè)備使用ATT7022測量配電柜進(jìn)線線路的電流，將采得的電流值通過CC1101無線通信發(fā)給主監(jiān)控設(shè)備;主監(jiān)控設(shè)備讀取電表電流，并將其和電流測量設(shè)備所測電流值進(jìn)行比較，當(dāng)超過規(guī)定閾值時認(rèn)為有盜電情況發(fā)生，點(diǎn)亮相應(yīng)信號指示燈并控制繼電器

切斷電力傳輸。防盜電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 防盜電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram electricity anti-theft system

2 防盜電系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 監(jiān)控主設(shè)備硬件設(shè)計

監(jiān)控主設(shè)備和電流監(jiān)控設(shè)備都以STM32F101C6單片機(jī)為核心，該芯片是一種基于Cortex—M3 ARM內(nèi)核、高性能、低功耗、低成本的微控制器，集成32 kB FLASH和6 kB SRAM，工作頻率達(dá) 36 MHz［2］，片上包含了 USART，SPI，ADC，定時器等豐富外設(shè)，可以滿足本系統(tǒng)使用。

STM32通過SPI協(xié)議控制CC1101芯片進(jìn)行433 MHz無線通信，TI 公司提供了該芯片外圍電路包含射頻部分的參考設(shè)計，參考該設(shè)計可迅速搭建該芯片所需的外部電路。

設(shè)計中采用浙江松鶴電表公司生產(chǎn)的DT(S)SF型電子式電表。監(jiān)控主設(shè)備中利用單片機(jī)USART外設(shè)外接SP3485EN芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，引出485端口和電表進(jìn)行通信［3］，通信規(guī)約支持《DL/T645—1997多功能電能表通信規(guī)約》。

此外，利用STM32的通用輸入輸出口連接3個不同顏色LED進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)指示，外接S9014三極管擴(kuò)流控制繼電器的通斷從而控制電力傳輸。

2.2 電流測量設(shè)備硬件設(shè)計

電流測量設(shè)備安裝在配電柜的進(jìn)線線路上(通常在電線桿上)，通過ATT7022芯片實(shí)現(xiàn)對電力線路電流的測量，并將采得的電流參數(shù)通過CC1101模塊發(fā)給監(jiān)控主設(shè)備。

2.2.1 電源模塊

由于ATT7022電力測量芯片使用5 V電壓而STM32使用3.3 V電壓，且設(shè)備需采用電池供電，設(shè)計采用了TPS54283雙開關(guān)電源芯片為系統(tǒng)同時提供5 V和3.3 V兩路電源［4］。該芯片具有較高的轉(zhuǎn)換效率的同時可提供兩路高達(dá)2A的電流輸出，采用小體積HTSSOP14封裝，適用于便攜式或電池供電的多電源系統(tǒng)中。

2.2.2 ATT7022 模塊

為實(shí)現(xiàn)對電力線路電流的測量，電流測量設(shè)備采用了ATT7022芯片［5］。該芯片是一種高精度三相電能專用計量芯片，集成了六路二階逐次逼近型ADC、參考電壓電路以及能量、有效值、功率因素等參數(shù)的數(shù)字信號處理電路。ATT7022通過SPI總線和STM32之間進(jìn)行計量參數(shù)和校表參數(shù)的傳遞，并提供了SIG管腳用來指示芯片的工作狀態(tài)。

由于ATT7022和STM32分別采用了不同的工作電壓，通過SPI進(jìn)行連接時需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，考慮到SPI通信速率不高，為簡化電路設(shè)計，ATT7022的輸出信號采用電阻分壓與STM32相連，ATT7022的輸入信號則直接與STM32的輸出管腳相連。設(shè)計中將芯片的SIG管腳經(jīng)過電阻分壓與單片機(jī)相連，以方便檢查芯片工作狀態(tài)。

ATT7022進(jìn)行電流參數(shù)測量時需要外部連接電流互感器，根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊的要求，采用了力創(chuàng)公司生產(chǎn)的LCTA21CE(1.5 A/5 mA)型電流器互感器。為了保證測量精度，電流采樣網(wǎng)絡(luò)中的電阻器均采用1%的精度。電流采樣網(wǎng)絡(luò)的原理圖如圖2所示。

3 電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)控主設(shè)備程序設(shè)計

監(jiān)控主設(shè)備每隔一段時間(實(shí)際設(shè)定為10 min)輪詢電流測量設(shè)備測到的電流參數(shù)，得到后讀取電表測量的電流值并進(jìn)行比較，當(dāng)超過一定閾值后即認(rèn)為有盜電情況發(fā)生，控制繼電器斷開電力傳輸，并點(diǎn)亮紅色LED報警，若無線通信出現(xiàn)故障，則點(diǎn)亮黃色LED指示無線通信故障，系統(tǒng)工作狀態(tài)正常，則點(diǎn)亮綠色LED。

圖2 電流采樣網(wǎng)絡(luò)原理圖Fig 2 Principle diagram of current sampling network

3.2 433 MHz無線通信程序設(shè)計

單片機(jī)通過讀寫CC1101寄存器實(shí)現(xiàn)433 MHz無線通信數(shù)據(jù)傳輸［6］。監(jiān)控主設(shè)備在與電流測量設(shè)備通信時作為主設(shè)備。由于無線信道相對不穩(wěn)定，設(shè)計兩設(shè)備之間的無線通信時加入了簡單的出錯重傳機(jī)制，若重傳超過5次仍不成功，則判定出現(xiàn)通信故障。為避免外部433 MHz無線設(shè)備對系統(tǒng)造成干擾，設(shè)計了簡單的幀格式，如表1所示。數(shù)據(jù)包為20個字節(jié)，幀頭用來區(qū)別其他無線設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)包，監(jiān)控主設(shè)備發(fā)至電流測量設(shè)備的數(shù)據(jù)包中方向字節(jié)為0x80;反之，為0x08，每次通信可傳輸16個字節(jié)測量數(shù)據(jù)。

表1 433 MHz無線通信幀格式Tab 1 Format of 433 MHz wireless communication

3.3 電流測量設(shè)備程序設(shè)計

由于電流測量設(shè)備采用干電池供電，軟件設(shè)計中著重考慮了低功耗性能，通過使STM32單片機(jī)在無查詢幀收到時睡眠降低單片機(jī)功耗，延長系統(tǒng)工作時間。上電后必須對ATT7022進(jìn)行校正，具體校正流程為復(fù)位ATT7022、寫校表寄存器值、等待SIG信號電平變高(ATT7022正常工作)。校表寄存器值按以下方法計算確定(電流值單位為安培):

當(dāng)電流校表寄存器值Igain=0時，從標(biāo)準(zhǔn)表(設(shè)計中使用數(shù)字式電表)讀到的電流值為Ir，電流有效值寄存器的值為Datal。已知:實(shí)際輸入電流值Ir;實(shí)測的電流值Irms=DataI×210÷224。計算公式 Igain=Ir÷Irms－1;

實(shí)際使用時將通過實(shí)驗(yàn)計算好的校表寄存器的值存儲在程序中，上電后即對ATT7022進(jìn)行校正，校正后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待監(jiān)控主設(shè)備查詢測量值。電流測量設(shè)備的軟件流程圖如圖3所示。

4 測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中著重對ATT7022的測量精度進(jìn)行了測試，實(shí)際電流值為電表讀到的電流值。實(shí)驗(yàn)中在實(shí)驗(yàn)室以CRT顯示器、電暖氣、電熱水器等作為負(fù)載，在0～6 A范圍內(nèi)選取幾組值進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表2所示。

圖3 電流測量設(shè)備軟件流程圖Fig 3 Flow chart of software of current measuring equipment

表2 電流測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab 2 Test result of current measuring

從實(shí)際測量數(shù)據(jù)可以看出:ATT7022測量精度較高，當(dāng)電流小于0.5A時不存在測量誤差，當(dāng)測量電流較大時會產(chǎn)生微小的誤差，且測量誤差不超過1%，可以滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

針對其誤差有隨著測量值不斷增大而增大的特點(diǎn)，程序中采用了浮動閾值，具體做法是電流測量值在0～5 A之間時以0.1A為閾值，當(dāng)電流測量值在5～10A時采用0.2A作為閾值，依次類推，每一個5 A區(qū)間閾值增加0.1 A，保證正常供電的前提下實(shí)現(xiàn)良好的監(jiān)控效果。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)防盜電的功能需求，以兩片STM32單片機(jī)為核心，采用ATT7022測量電力線路電流，通過CC1101進(jìn)行無線通信，設(shè)計了監(jiān)控主設(shè)備和電流測量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)防盜電功能。經(jīng)實(shí)際使用證明:系統(tǒng)工作正常穩(wěn)定，能夠在盜電情況發(fā)生時切斷電力傳輸，有效防止盜電情況發(fā)生，滿足了系統(tǒng)設(shè)計的性能要求。

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