付蔚方健

(重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域。2003年，美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)列為未來(lái)改變?nèi)祟惿畹氖蠹夹g(shù)之首［1］。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［2］是傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織和多跳形式構(gòu)成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器都可以感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將所感知信息傳送到用戶終端，使用戶完全掌握監(jiān)測(cè)區(qū)域的情況并做出反應(yīng)。智能家居能耗監(jiān)控技術(shù)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，能檢測(cè)單個(gè)電器的能耗，從而為用戶提供更明細(xì)的電能消耗情況，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排［3］。該技術(shù)在給人們帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也為智能家居物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)更廣闊的發(fā)展空間。

1 無(wú)線能耗檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案

根據(jù)無(wú)線能耗檢測(cè)儀的需求分析，從低成本、低功耗、高可靠性角度［4］出發(fā)，設(shè)計(jì)了無(wú)線能耗檢測(cè)儀方案，如圖1所示。

圖1 無(wú)線能耗檢測(cè)儀方案圖Fig.1 Scheme of the wireless energy consumption detector

本方案選用電能計(jì)量芯片和電壓電流采集電路的形式，把電能脈沖信號(hào)傳送給主處理器芯片進(jìn)行處理計(jì)算，同時(shí)把得到的能耗數(shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)線射頻芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。電源管理電路直接由220 VAC電源供電，取得的電壓經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后為各部分電路提供電源。

2 無(wú)線能耗檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用ATmega64作為處理芯片，其工作時(shí)鐘頻率為16 MHz。無(wú)線收發(fā)芯片選用CC2430，其自身集成了外圍電路無(wú)線收發(fā)芯片，在簡(jiǎn)化硬件電路的同時(shí)，其高可靠性也能滿足家居環(huán)境組網(wǎng)應(yīng)用，并且支持 IEEE 802.15.4e［5］協(xié)議棧的移植。計(jì)量芯片的選擇是無(wú)線能耗檢測(cè)儀的關(guān)鍵，其性能的優(yōu)劣直接影響能耗信息的準(zhǔn)確性。本設(shè)計(jì)選用ADI公司最近推出的低功耗、高性能的ADE77XX系列芯片ADE7755。該芯片能把電量測(cè)量?jī)?nèi)核與微處理器、片內(nèi)閃存、LCD驅(qū)動(dòng)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和智能電池管理電路結(jié)合在一起，允許電能表保持時(shí)間、檢測(cè)溫度變化、讀取LCD數(shù)據(jù)并完成其他功能。選擇ADE7755作為計(jì)量芯片［6］將大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高計(jì)量的準(zhǔn)確性。ADE7755具有高精度、高性能、輸出方式靈活、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，它在單相電能表中應(yīng)用廣泛。

無(wú)線能耗檢測(cè)儀由備電壓電流采集電路、LCD顯示電路、電源轉(zhuǎn)換電路、鍵盤掃描電路以及開(kāi)關(guān)控制電路等組成，其總體硬件設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 無(wú)線能耗檢測(cè)儀硬件框圖Fig.2 Block diagram of the hardware of wireless energy consumption detector

圖2中，計(jì)量芯片ADE7755與不同量程的電壓電流傳感器直接相連，這既簡(jiǎn)化了接口設(shè)計(jì)，又提高了功率測(cè)量的精確度和穩(wěn)定性。由于電路輸出為脈沖信號(hào)，所以CPU通過(guò)中斷引腳可以方便準(zhǔn)確地進(jìn)行電量的累計(jì)。當(dāng)有負(fù)載時(shí)，瞬時(shí)功率信號(hào)CF輸出脈沖信號(hào)給微控制器ATmega64，通過(guò)對(duì)CF的計(jì)數(shù)，可以得到累計(jì)的電量信息;然后ATmega64內(nèi)部采用功率算法，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定積分時(shí)間對(duì)CF進(jìn)行計(jì)數(shù);接著除以積分時(shí)間得到瞬時(shí)有功功率，并且根據(jù)設(shè)定的電價(jià)，得到電費(fèi)等數(shù)據(jù)信息;最后，ATmega64將電器的瞬時(shí)有功功率值、累計(jì)電量、電費(fèi)等數(shù)字信息通過(guò)串口發(fā)送給CC2430，CC2430通過(guò)無(wú)線路由將數(shù)據(jù)發(fā)送給智能家庭網(wǎng)關(guān)［7－10］，從而實(shí)現(xiàn)底層電器能耗信息的無(wú)線采集。

下面對(duì)幾個(gè)重要的電路進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.1 能耗檢測(cè)電路

能耗監(jiān)測(cè)電路是無(wú)線能耗檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)殡娏坑?jì)量的準(zhǔn)確與否直接影響能耗檢測(cè)儀的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。能耗檢測(cè)電路原理圖如圖3所示。能耗檢測(cè)電路主要由電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路和ADE7755外圍電路組成。負(fù)載電流經(jīng)過(guò)分流器再通過(guò)濾波電路后轉(zhuǎn)換成合適的電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的電壓被送入到電能計(jì)量芯片ADE7755的電流通道，即V1P和V1N端;而220 V相電壓則通過(guò)校驗(yàn)衰減網(wǎng)絡(luò)降壓后，再通過(guò)濾波電路送入電能計(jì)量芯片ADE7755的電壓通道，即V2P和V2N端。電流和電壓經(jīng)過(guò)ADE7755轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)有功功率，以高頻脈沖形式從CF端輸出，然后接入到ATmage64的外部中斷信號(hào)輸入端。主控芯片通過(guò)對(duì)CF脈沖信號(hào)的定時(shí)計(jì)算和計(jì)數(shù)處理，得到瞬時(shí)有功功率和累計(jì)電量值。

圖3 能耗檢測(cè)電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of energy consumption detection circuit

圖 3 中，F(xiàn)1為分流器;R1、R2為采樣電阻;C1、C2為采樣電容，一般選取為27 nF和33 nF，它們?yōu)殡娏鞑蓸油ǖ捞峁┎蓸与妷盒盘?hào)，采樣電壓信號(hào)的大小由分流器的阻值和流過(guò)它的電流決定。電流采樣通道采用完全差動(dòng)輸入，V1P為正輸入端，V1N為負(fù)輸入端。根據(jù)ADE7755芯片技術(shù)指標(biāo)可知，電流采樣通道最大差動(dòng)峰值電壓應(yīng)小于470 mV。電流采樣通道有一個(gè)可編程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)，其增益可由 ADE7755的 G1和 G0來(lái)選擇。

ADE7755電流通道增益選擇如表1所示，當(dāng)使用分流器采樣時(shí)，G1、G0都接高電平，增益選擇16，通過(guò)分流器的峰值電壓為±30 mV?？紤]到常用家庭電器的功耗范圍為100～4 000 W，所以在能耗檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)時(shí)，按照標(biāo)定電流為5(20)A(5 A為負(fù)載電流，20 A為最大額定電流)的規(guī)格，分流器阻值選擇為500 μΩ，其分流器的類型為錳銅分流器。這樣當(dāng)流過(guò)分流器的電流為最大電流20 A時(shí)，其采樣電壓為500 μΩ×20 A=10 mV，該值不超過(guò)峰值電壓半滿度值，所以選用 500 μΩ錳銅分流器，令G1=1、G0=1時(shí)，理論標(biāo)定電流規(guī)格為5(20)A。

表1 ADE7755電流通道增益選擇Tab.1 Gain selection of ADE7755 current channel

ADE7755電壓輸入通道(V2N，V2P)也為差分電路，V2N引腳連接到電阻分壓電路的分壓點(diǎn)，V2P接地。電壓輸入通道的采樣信號(hào)是通過(guò)衰減線電壓得到的，其中 R6～R14為校驗(yàn)衰減網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)短接跳線J1～J9可將采樣信號(hào)調(diào)節(jié)到需要的采樣值。本文設(shè)計(jì)的能耗檢測(cè)儀在基本電流為5 A時(shí)，電壓采樣值為174.2 mV。

為了保證分流器的容差和片內(nèi)基準(zhǔn)源的誤差＜8%，衰減校驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的檢驗(yàn)范圍應(yīng)≥30%。根據(jù)前文可知，電壓調(diào)節(jié)范圍為169.8～250 mV，完全滿足調(diào)節(jié)的需要。這個(gè)衰減網(wǎng)絡(luò)的－3 dB頻率是由R4和C3決定的，R19、R23、R24確保了這一頻率，即使全部跳線都接通，R19、R23、R24仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 R4，R4和 C3的選取要與電流采樣通道的R1、C1相匹配，這樣才能保證兩個(gè)通道的相位進(jìn)行合適的匹配，以消除因相位失調(diào)帶來(lái)的誤差影響。

2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)電路

由于CC2430采用無(wú)線SOC設(shè)計(jì)，其內(nèi)部已集成了大量電路，因此采用較少的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能，CC2430外圍電路原理圖如圖4所示。

圖4 CC2430外圍電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of CC2430 peripheral circuit

圖4中，Y2為32 MHz晶振，采用1個(gè)32 MHz的石英諧振器和2個(gè)電容(C3和C4)構(gòu)成一個(gè)32 MHz的晶振電路;Y1為32.768 kHz晶振，采用1 個(gè)32.768 kHz的石英諧振器和2個(gè)電容(C1和C2)構(gòu)成一個(gè)32.768 kHz的晶振電路。C5為5.6 pF的電容，電路中的非平衡變壓電路由電容C5、電感L1、L2、L3以及一個(gè)PCB微波傳輸線組成。整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。

另外，在電壓腳和地腳都添加了濾波電容，用于確保芯片工作的穩(wěn)定性。

3 無(wú)線能耗檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

在無(wú)線能耗檢測(cè)儀底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中，能耗采集模塊和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。

系統(tǒng)首先進(jìn)行各參數(shù)的初始化，包括中斷向量的設(shè)置、ADE7755使能端口的設(shè)置、定時(shí)器以及計(jì)數(shù)器的設(shè)置，以保證系統(tǒng)對(duì)中斷的響應(yīng)處理和功能定時(shí)處理。

主程序采用輪詢的方式，通過(guò)檢測(cè)CF脈沖來(lái)得到能耗數(shù)據(jù)，并根據(jù)按鍵功能的標(biāo)志位判斷頁(yè)碼，把數(shù)據(jù)送到液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。另外，系統(tǒng)通過(guò)串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和定時(shí)器將耗數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送給CC2430的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，并且把能耗數(shù)據(jù)定時(shí)保存在MCU的EEPROM，以避免數(shù)據(jù)丟失。在中斷響應(yīng)中，串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊在接收到來(lái)自CC2430的轉(zhuǎn)發(fā)命令數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)執(zhí)行響應(yīng)的端口操作。

無(wú)線能耗檢測(cè)儀軟件流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of the main program

4 無(wú)線能耗檢測(cè)儀測(cè)試

4.1 電磁兼容測(cè)試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17215.211-2006《交流電測(cè)量設(shè)備通用要求、試驗(yàn)和試驗(yàn)條件》［9］中第7.5條款提出的電磁兼容測(cè)試項(xiàng)目，對(duì)無(wú)線能耗檢測(cè)儀進(jìn)行射頻電磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)，以驗(yàn)證其可靠性，射頻干擾等級(jí)3垂直極化測(cè)試曲線如圖6所示。

圖6 射頻干擾等級(jí)3垂直極化測(cè)試曲線Fig.6 Radio frequency interference level 3 vertical polarization test curves

從圖6可以看出，在射頻電磁場(chǎng)抗擾度測(cè)試中，功率放大器提供的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)大于設(shè)定的10 V/m。在這種情況下，無(wú)線能耗檢測(cè)儀仍能正常工作，所以其射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度電磁兼容測(cè)試滿足設(shè)計(jì)與應(yīng)用要求。

4.2 準(zhǔn)確性測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的能耗檢測(cè)儀選用WF-D01A型單相電能校驗(yàn)表作為標(biāo)準(zhǔn)表，其技術(shù)指標(biāo)符合GB/T 1725.321-2008，準(zhǔn)確精度為1 級(jí)［10］，電流范圍為1.5 ～120 A、參比電壓為220 VAC/50 Hz。根據(jù)JJG 596-1999《電子式電能表檢定規(guī)程》［11］中第3.5條款，能耗檢測(cè)儀應(yīng)屬于安裝式電能表。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)ADE7755電流通道的分流器的選定，計(jì)算出參比電流Ib(Imax)為5(20)A。按照檢定規(guī)程規(guī)定，安裝式電能表的負(fù)載電流可為0.5Ib、Ib、Imax。由于缺少供電源，所以選用負(fù)載電流為2.3 A電飯煲作為負(fù)載，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表法計(jì)算相對(duì)誤差來(lái)檢定能耗檢測(cè)儀的準(zhǔn)確度，0.5Ib相對(duì)誤差測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 0.5Ib相對(duì)誤差測(cè)試結(jié)果Tab.2 The result of 0.5Ibrelative error test

從表2可知，在負(fù)載電流約為0.5Ib的情況下，對(duì)能耗檢測(cè)儀的相對(duì)功率誤差記錄50次，相對(duì)電量誤差記錄4次、每次測(cè)量24 h，然后讀取其最大誤差和最小誤差，確定無(wú)線能耗檢測(cè)儀的測(cè)試功率相對(duì)誤差范圍為0.11% ～0.17%，電量相對(duì)誤差范圍為0.08% ～0.16%。

根據(jù)JJG 596-1999《電子式電能表檢定規(guī)程》［11］中第2條款，在功率因數(shù)為1的情況下，采用準(zhǔn)確度等級(jí)為0.1的標(biāo)準(zhǔn)表，對(duì)0.5級(jí)、1級(jí)和2級(jí)被檢表的誤差評(píng)定范圍分別為±0.1%、±0.2%、±0.3%。由于在實(shí)際測(cè)試中，采用準(zhǔn)確度為1級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)表，根據(jù)誤差結(jié)果，將其放大10倍，粗略估計(jì)被檢表準(zhǔn)確度等級(jí)為2級(jí)。為完善準(zhǔn)確性測(cè)試工作，由重慶計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院采用準(zhǔn)確度為0.05級(jí)的三相多功能電能表檢定裝置進(jìn)行第三方測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為電能誤差國(guó)家2級(jí)，功率誤差國(guó)家2級(jí)。

4.3 通信距離測(cè)試

在本樣機(jī)測(cè)試中，主要針對(duì)無(wú)線能耗檢測(cè)儀在有天線增益的情況下進(jìn)行。無(wú)線能耗檢測(cè)儀每1 min會(huì)定時(shí)發(fā)出無(wú)線能耗數(shù)據(jù)，在1 h內(nèi)通過(guò)CC2430抓包器來(lái)獲取無(wú)線能耗數(shù)據(jù)抓包率，得到無(wú)線通信距離測(cè)試結(jié)果。通信距離測(cè)試示意圖如圖7所示，通信距離丟包率測(cè)試對(duì)比如表3所示。

圖7 通信距離測(cè)試示意圖Fig.7 Sketch map of communication distance test

表3 通信距離丟包率測(cè)試對(duì)比Tab.3 The comparison of packet loss rates of communication distance

4.4 射頻穿透性測(cè)試

射頻穿透性測(cè)試示意圖如圖8所示，通過(guò)定時(shí)1 h，分別測(cè)量無(wú)線能耗檢測(cè)儀與無(wú)線路由之間隔0道墻、1道墻、2道墻(墻厚20 cm)時(shí)的抓包率，通過(guò)結(jié)果分析得到設(shè)備的射頻穿透性，穿透性測(cè)試丟包率對(duì)比如表4所示。

圖8 射頻穿透性測(cè)試示意圖Fig.8 Sketch map of the RF penetrability test

表4 穿透性測(cè)試丟包率對(duì)比Tab.4 The comparison of packet loss rates of penetrability tests

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在已有的智能家居平臺(tái)下，通過(guò)對(duì)家用電器功耗采集理論以及相關(guān)軟硬件進(jìn)行的研究，同時(shí)結(jié)合IEEE 802.15.4e網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則，研究設(shè)計(jì)了無(wú)線能耗檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀用以實(shí)現(xiàn)家居電器功耗信息的采集和遠(yuǎn)程傳送，可通過(guò)多種終端設(shè)備對(duì)家用電器功耗信息進(jìn)行監(jiān)控。在實(shí)際的系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，各種功能和性能都處于正常的水平，但對(duì)于能耗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、無(wú)線傳輸和數(shù)據(jù)應(yīng)用，從物聯(lián)網(wǎng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展角度來(lái)說(shuō)，還需要在能耗數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)不斷完善和優(yōu)化［11－14］。采集精度、外殼工藝、數(shù)據(jù)信息種類、準(zhǔn)確誤差測(cè)量等方面需要進(jìn)一步改進(jìn)。

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