楊 帆 ，鄭心妍 ，幸志偉

（1.武漢工程大學 電氣信息學院，武漢 430073；2.湖北省智能機器人重點實驗室，武漢 430073）

我國的樓宇建筑普遍缺乏相應的基礎測量設備，無法實時測量、記錄和統(tǒng)計相應的電能數(shù)據(jù)及運行狀態(tài)，建筑能耗節(jié)能系統(tǒng)不能進行內(nèi)部實時調(diào)控，無法使相關系統(tǒng)有效協(xié)調(diào)運行，實際的節(jié)能效果達不到預期標準[1-3]。無線傳感網(wǎng)絡WSNs（wireless sensor networks）應用于樓宇方面的監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地克服傳統(tǒng)有線樓宇監(jiān)測系統(tǒng)布線成本高、組網(wǎng)不靈活、數(shù)據(jù)傳輸可靠性差、樓宇環(huán)境受破壞等缺點，在樓宇智能化方面有著巨大的應用前景[4]。針對樓宇的特點，設計了基于微處理器、無線收發(fā)模塊、傳感器模塊等開發(fā)智能設備硬件的樓宇末級配電設備群的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。

1 節(jié)點系統(tǒng)設計

本文設計的節(jié)點應用于樓宇建筑，可實現(xiàn)對用戶的電壓、電流、開關狀況等多種物理信息的采集，并根據(jù)應用的需求進行相應的信息處理，并把處理后的數(shù)據(jù)直接傳送給匯聚節(jié)點，或者傳送給相鄰節(jié)點再由相鄰節(jié)點傳送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將信息處理后，直接將數(shù)據(jù)傳送給控制器[5-8]。設計的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點由電源單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線通信單元、傳感器單元組成，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Node system structure

1.1 數(shù)據(jù)處理模塊的設計

數(shù)據(jù)處理模塊采用STC90C516RD+單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇，內(nèi)部集成MAX810專用復位電路。該芯片采用Flash ROM，內(nèi)部有61 KB程序存儲空間，對于本設計而言程序空間完全夠用。單片機STC90C516RD+的引腳 RST與復位電路相連，引腳 P2.5、P2.6與E2PROM 電路相連，引腳 P2.2、P2.3、P2.4、GND 與時鐘電路相連，引腳P0.3與指示燈LED0相連，設計的單片機與外圍電路的接口電路如圖2所示。

圖2 單片機與外圍電路接口電路Fig.2 Interface circuit between single chip microcomputer and peripheral circuit

1.2 無線通信模塊的設計

無線通信模塊使用單片射頻收發(fā)器nRF905，nRF905通過SPI總線與CPU相連，當有信號發(fā)送時，TRX_CE與TX_EN置1，此時nRF905工作模式為ShockBurst TX模式（發(fā)送模式），數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，TRX_CE被設置為低電平，nRF905結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸并自動進入standby模式（低電流模式）；當有信號接受時，TRX_CE置1，TX_EN置0，此時nRF905工作模式為ShockBurst RX模式（接受模式），所有有效數(shù)據(jù)被讀出，AM和DR被設置為低電平，nRF905將準備進入ShockBurst RX、ShockBurst TX或Powerdown模式（掉電模式）。nRF905的EESCN、SCK、MISO、MOSI、DR、PWR_UP、TRX_CE、TX_EN 引腳分別與單片機STC90C516RD+的P2.0~P2.7引腳相連，設計的單片機與無線通信模塊的接口電路如圖3所示。

圖3 單片機與無線通信模塊接口電路Fig.3 Interface circuit of single chip microcomputer and wireless communication module

1.3 傳感器模塊的設計

傳感器模塊采用CS5460A測量芯片，完成對用電設備電壓、電流的測量。CS5460A的引腳VIN+、VIN-與電壓互感器相連；引腳 HN+、HN-與電流互感器相連；引腳XOUT、XINT與晶體振蕩器相連；引腳 RESET、CS、SDI、SDO、SCLK、EDIR分別與單片機STC90C516RD+的P1.0~P1.5相連，如圖4所示。通過電壓互感器T1、電流互感器T2分別采集電壓、電流信號，將采集到的信號輸入CS5460A芯片就可以由內(nèi)部的電能自動計算函數(shù)計算出該用電設備的瞬時電壓、瞬時電流、電壓有效值、電流有效值等各種參數(shù)，并存入相應的寄存器中。STC90C516RD+可直接從CS5460寄存器中讀取數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理。

單片機STC90C516RD+的P3.3與CS5460A的INT引腳相連，供電電壓經(jīng)分壓電路接入CS5460A的PFMON引腳，進行電源的監(jiān)視。當電源斷電或者發(fā)生故障時，由CS5460A向單片機發(fā)出中斷申請，STC90C516RD+讀取狀態(tài)字，

判斷后進行處理，將運行參數(shù)、校準參數(shù)等數(shù)據(jù)存入E2PROM保存，防止數(shù)據(jù)丟失。

圖4 單片機與傳感器模塊接口電路Fig.4 Interface circuit of single chip microcomputer and sensor module

1.4 電源模塊的設計

電源模塊采用7805穩(wěn)壓電源電路，220 V交流電壓經(jīng)過T3變壓和DR橋式整流，然后經(jīng)過集成穩(wěn)壓器7805，輸出5V直流電壓給單片機STC90C516RD+供電，再通過D1~D3輸出3 V直流電壓給nRF905供電。設計的電源模塊電路如圖5所示。

圖5 電源模塊電路Fig.5 Power module circuit

2 軟件設計

無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點由硬件和軟件構(gòu)成，由于篇幅限制，在此只闡述無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點軟件設計流程，無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點具有休眠、喚醒、正常工作模式[10]。系統(tǒng)完成初始化后，節(jié)點將進入休眠模式，等待被喚醒。喚醒后將檢測到的電壓電流值傳送給下一個節(jié)點，執(zhí)行完畢后，節(jié)點再次進入休眠模式，直到再次被喚醒，節(jié)點的工作流程如圖6所示。

圖6 節(jié)點工作流程Fig.6 Flow chart of node work

3 調(diào)試界面

本設計利用組態(tài)王軟件實時顯示用戶電壓、電流以及用電設備的開關狀態(tài)[9]。如圖7所示，模擬了一棟樓每層用戶的用電情況，值班人員通過觀察設備的用電參數(shù)從而監(jiān)測其開關狀態(tài)以及運行狀態(tài)，能夠快速有效地調(diào)節(jié)用電設備的開關，起到節(jié)能作用。

圖7 調(diào)試界面Fig.7 Debug interface

4 結(jié)語

樓宇末級配電設備的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)由無線傳感節(jié)點、控制器、上位機三部分構(gòu)成。本次設計的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點與控制器和上位機構(gòu)成的系統(tǒng)，完成了對用電設備電壓、電流值等參數(shù)的實時檢測及控制用電設備的開關狀況，為降低建筑用電設備的能耗提供了一種有效方法。

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