雷景生, 蘇　峰,b, 劉大明

(上海電力學院 a.計算機科學與技術(shù)學院, b.電子與信息工程學院, 上?！?00090)

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基于WSN的智能用電監(jiān)測節(jié)點的設(shè)計

雷景生a, 蘇峰a,b, 劉大明a

(上海電力學院 a.計算機科學與技術(shù)學院, b.電子與信息工程學院, 上海200090)

摘要:為實現(xiàn)電力需求側(cè)用電信息的智能化監(jiān)測與管理,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),設(shè)計并實現(xiàn)了面向電力用戶側(cè)的智能控制用電監(jiān)測節(jié)點.介紹了基于射頻芯片CC2420和MSP430系列單片機,電能計量芯片RN8209G的智能用電監(jiān)測節(jié)點的設(shè)計.該節(jié)點具有智能開關(guān)控制、電能采集、過載保護和能耗管理等功能,對設(shè)計的節(jié)點進行了硬件測試和組網(wǎng)通信測試實驗.實驗結(jié)果驗證了開發(fā)的節(jié)點可實現(xiàn)用戶側(cè)遠程用電監(jiān)測與控制,并具有良好的實時性和準確性.

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 遠程用電監(jiān)測; 智能開關(guān)控制

隨著國民經(jīng)濟的增長和科技水平的提高,各種家用電器得到廣泛使用,居民用電量飛速增加,與此同時電能浪費現(xiàn)象日趨嚴重.美國用電報告顯示每年電量的浪費超過30%,加州伯克利大學的LoCal項目試圖通過在智能樓宇中部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來找出電能浪費的根源以及如何節(jié)省這些電能[1].面對日漸凸顯的用電浪費問題以及更高的用戶服務(wù)質(zhì)量要求所帶來的挑戰(zhàn),全球電力行業(yè)都在積極建設(shè)智能電網(wǎng)[2].

傳統(tǒng)的電表只能夠記錄總用電量,并不能掌握單個用電設(shè)備實時的用電情況,而電力系統(tǒng)的電壓、電流、功率等參數(shù)的監(jiān)測,對智能電網(wǎng)高效運行卻至關(guān)重要[3].

傳感器節(jié)點可以準確采集用戶用電信息(電流、電壓、功率、用電量等電能數(shù)據(jù)),實時用電信息的大量存儲有利于電力部門分析預(yù)測,減少電能浪費,實現(xiàn)與用戶互動,滿足快速發(fā)展的用電需求,并實現(xiàn)資源的合理配置和集中管理,為用戶提供更高質(zhì)量的服務(wù).

目前,智能用電設(shè)備往往只提供單一的保護、監(jiān)測或控制功能,各設(shè)備獨立工作,無法實現(xiàn)多個設(shè)備的聯(lián)動運作[4].

在用電信息采集系統(tǒng)中,本地網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點多、應(yīng)用場景復雜等特點,設(shè)備的獨立工作顯然不能滿足要求.因此,可采用短距離無線通信方式,實現(xiàn)節(jié)點間多級聯(lián)動,多個采集終端節(jié)點組成無線自組織網(wǎng)絡(luò),將采集到的數(shù)據(jù)以多跳的方式發(fā)送到集中器中,由集中器實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和遠程傳輸[5].

這樣,電力部門可以實時掌握各區(qū)域用電情況并做出合理的供電決策,同時用戶也可了解各設(shè)備的用電情況來減少電費開支[6].

本文將無線傳感器技術(shù)與電能分布式采集相結(jié)合設(shè)計了可以實時監(jiān)測各個用電設(shè)備電能數(shù)據(jù)的節(jié)點,節(jié)點數(shù)據(jù)通過多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至網(wǎng)關(guān),最后接入以太網(wǎng),實現(xiàn)了各個節(jié)點的遠程監(jiān)測與控制.

1系統(tǒng)框架

根據(jù)智能控制用電監(jiān)測節(jié)點的需求分析,從低成本、低功耗、高可靠性角度出發(fā),設(shè)計系統(tǒng)總體框架如圖1所示,主要由電流電壓采集電路、電源電路、調(diào)試接口電路、時鐘電路、復位電路,以及處理器模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、電能計量芯片RN8209G和無線射頻芯片CC2420等組成.

圖1　系統(tǒng)的總體框架

2節(jié)點硬件設(shè)計

節(jié)點硬件主要由電能計量模塊電路、無線通信模塊和供電模塊以及串口調(diào)試電路等組成.節(jié)點由電源模塊進行供電,采用美國德州儀器公司的一款低功耗MSP430F1611微處理器為核心,讀取計量芯片RN8209G的電能數(shù)據(jù),以符合2.4 GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器CC2420進行無線通信.

采用Moteiv公司開發(fā)的Tmote-Sky作為無線通信的硬件平臺.Tmote-Sky節(jié)點支持TinyOS操作系統(tǒng),通過休眠機制具有良好的低功耗特性,室內(nèi)最大通信距離達50 m,使用USB接口與主機通信和更新程序[7].該節(jié)點自帶Sensirion AG生產(chǎn)的SHT11溫濕度傳感器以及Hamamatsu生產(chǎn)的S1087光傳感器,可以達到節(jié)點運行環(huán)境的監(jiān)控功能.

2.1電源供電電路

電源采用體積小、轉(zhuǎn)換效率高且能穩(wěn)定輸出的小功率開關(guān)電源.考慮到成本,選用高性價比的高性能電流模式PWM控制器THX208為核心.圖2給出了電源模塊反激式開關(guān)電源電路設(shè)計方案.

圖2　5 V電源電路

2.2電能計量模塊

計量模塊的設(shè)計要保證采集數(shù)據(jù)精度高、可靠性強,同時又要盡可能采用體積小、成本低的芯片.深圳銳能微出產(chǎn)的電能計量芯片RN8209G 能夠測量有功功率、有功能量,并能同時提供電流有效值、電壓有效值、線頻率、過零中斷等.

RN8209G提供兩個串行接口,包括串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface,SPI)和通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART),本設(shè)計使用UART通用異步串行口與MCU通信,UART通信硬件上只需兩根線,一根用于發(fā)送(TX),一根用于接收(RX).RN8209G共有3路Σ-ΔADC,分別用于相線電流、零線電流和電壓采樣.

電流采樣選用錳銅電阻采樣,電壓采樣選用電阻分壓采樣法,兩路采樣都采用完全差分輸入方式輸入.圖3給出了RN8209G電能計量電路的設(shè)計.采樣的具體過程如下:負載通過該模塊接入市電,電流通過錳銅采樣電阻在V1P和V1N之間形成一個差動電壓信號接入到電流通道上,電壓經(jīng)過電阻分壓器R5和R6接入到V2P電壓通道上,其中電阻R5可用多個電阻串聯(lián)構(gòu)成,電壓通道以零線為基準.電壓和電流的采樣數(shù)據(jù)由乘法器相乘得到瞬時有功功率p(t).有功功率通過脈沖生成器得到能量脈沖可由PF口輸出,能量寄存器EnergyP記錄脈沖個數(shù),電能為脈沖個數(shù)除以電表常數(shù).

圖3　RV8209G電能計量電路

本設(shè)計采用的計量芯片RN8209G采集電壓、電流、有功功率和用電量等電能數(shù)據(jù).令工頻周期內(nèi)采樣次數(shù)為N,基于離散數(shù)值算法,可以得到電流有效值計算公式為:

(1)

式中:i(t)——t時刻電流瞬時值.

電壓有效值計算公式為:

(2)

式中:u(t)——t時刻電壓瞬時值.

采用實時積分算法得到有功功率為:

(3)

MCU通過UART串口對計量芯片進行配置與校正.RN8209G的UART接口工作在從模式、半雙工通訊、9位UART(含偶校驗位),符合UART協(xié)議,幀結(jié)構(gòu)包含校驗和字節(jié).RN8209G UART通訊幀格式由CMD(命令字節(jié))+DATA(數(shù)據(jù)字節(jié))+CKSM(校驗和字節(jié))組成.校驗和算法如下:

CheckSum[7:0]=～(CMD[7:0]+

DATAn[7:0]….+DATA1[7:0])

圖4給出了PCB設(shè)計電路,強電部分與弱電部分要留出一定的空間距離,采用大面積鋪地將模擬地與數(shù)字地直接連接以減少干擾.RN8209G通過硬件管腳B1和B0配置波特率,有4種波特率可供選擇,考慮到無線傳輸速率,本系統(tǒng)選擇的波特率為9 600 bps.

圖4　電能模塊PCB設(shè)計示意

2.3串口隔離調(diào)試電路

電能計量模塊硬件設(shè)計完成后,需要使用PC機對計量芯片進行配置與調(diào)試.電能模塊與PC機進行串口調(diào)試需要在其中間加入串口隔離電路,否則會使電能計量芯片因電壓過高而燒壞.串口隔離最簡單也是最廣泛使用的是光耦合器.選用單通道的高速光耦合器6N137設(shè)計串口隔離電路如圖5所示.

圖5　串口隔離調(diào)試電路

3節(jié)點軟件設(shè)計

3.1校表及采集算法

為了提高計量的精確度,需設(shè)計校表及采集程序,這是實現(xiàn)電能計量的重要步驟,經(jīng)過校正的儀表,有功精度可達0.5S級.校表包括參數(shù)設(shè)置、A通道有功校正和有效值校正.其中,參數(shù)設(shè)置包括B通道ADCON設(shè)置、ADC增益選擇、HFConst設(shè)置、起動電流設(shè)置、能量累加模式設(shè)置等.電表需要配置合適的有功起動功率,確保正常啟動和防潛,其計算公式為:

(4)

式中:P0——最小起動功率;

Kp——功率轉(zhuǎn)換系數(shù).

HFConst的參數(shù)計算公式為:

(5)

式中:Uu——額定電壓輸入時的電壓通道的采樣電壓;

Ui——額定電壓輸入時的電流通道的采樣電壓;

Un——額定輸入的電壓;

Ib——額定輸入的電流;

EC——電表常數(shù).

根據(jù)相應(yīng)的算法對GPQA,PhsA,APOSA,IARMSOS寄存器配置來實現(xiàn)有功校正和有效值校正.為防止上下電丟失電能,掉電時MCU將寄存器PFcnt/DFcnt值讀回并進行保存,然后在下次上電時MCU將這些值重新寫入PFcnt/DFcnt中.校表完成后,MCU可通過UART訪問計量芯片相應(yīng)的寄存器,得到電壓、電流、有功功率及有功能量等參數(shù),實現(xiàn)測量功能.

3.2程序執(zhí)行流程

程序流程圖如圖6所示.系統(tǒng)上電后,首先要對系統(tǒng)初始化和RN8209G初始化配置,然后通過定時器定時周期性的讀取芯片的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)封裝后發(fā)送給基站,如果接收到基站傳來的過載指令則輸出開關(guān)量使繼電器關(guān)斷系統(tǒng).另外,程序中有中斷指令則直接終止執(zhí)行程序.

圖6　程序流程

4實驗測試

為保證節(jié)點具有較高的計量精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,在室內(nèi)環(huán)境下,對10個節(jié)點進行了集中調(diào)試,分別進行了節(jié)點計量準確度測試和組網(wǎng)通信測試.

4.1計量準確度測試

為了測試數(shù)據(jù)準確性,在實驗室環(huán)境下利用日置功率計作為標準表分別對飲水機負載、空調(diào)負載進行了測試,測試時間為5 h,標準表與節(jié)點測試數(shù)據(jù)的平均值比較如表1所示.通過比較結(jié)果可知,設(shè)計的節(jié)點與標準表所測數(shù)據(jù)誤差不超過±0.3%,測量精度滿足0.5S級標準的設(shè)計要求.

表1　實驗測試結(jié)果比較

4.2通信組網(wǎng)測試

能耗節(jié)點在很大程度上應(yīng)用在建筑物內(nèi),需要考慮節(jié)點的通信距離與穿墻能力.根據(jù)上述設(shè)計方案,以實驗室現(xiàn)有的條件對多個節(jié)點進行了通信距離測試和穿墻測試.單個節(jié)點的實物圖如圖7所示.在實驗室環(huán)境下,大小為16 m×10 m的范圍內(nèi)設(shè)置了1到3堵墻進行實驗,測試了節(jié)點的不同通信距離與穿墻數(shù)的丟包率,實驗結(jié)果如圖8所示.由圖8可以看出,通信距離越大、穿墻數(shù)越多,節(jié)點的丟包率越高.為保證節(jié)點的穩(wěn)定運行,節(jié)點的分布不應(yīng)超過2堵墻.如果受環(huán)境限制需要穿越墻數(shù)較多的,可以采取增加功率放大模塊的方法使節(jié)點的穿墻能力提升,同時節(jié)點的功耗也會增大.

圖7　節(jié)點實物

圖8　無線通信測試結(jié)果

5結(jié)語

智能控制用電監(jiān)測節(jié)點可以實現(xiàn)遠程用電監(jiān)測,控制相關(guān)用電設(shè)備,以期達到實時監(jiān)控和合理用電的目的,具有長遠意義.本文設(shè)計了基于射頻芯片CC2420和電能計量芯片RN8209G的智能控制用電監(jiān)測節(jié)點,實現(xiàn)了節(jié)點電流、電壓和用電量等電能數(shù)據(jù)的采集與傳輸.通過上位機可以對各個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測與管理.下一步研究工作的重點在于無線路由協(xié)議的優(yōu)化和通信能力的提高,使其在復雜的室內(nèi)環(huán)境下減少布署節(jié)點的數(shù)量并能保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行.

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(編輯桂金星)

Design of Intelligent Electricity MonitoringNode Based on WSN

LEI Jingshenga, SU Fenga,b, LIU Daminga

(a.School of Computer Science and Technology, b.School of Electronics and Information Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:The wireless sensor network technology is analyzed to achieve intelligent monitoring and management of electricity demand side of power information,and nodes are designed and implemented with functions of intelligent control and electricity monitoring for power user side.The design of intelligent electricity monitoring node is introduced,which is based on RF chip CC2420,MSP430 single chip microcomputer and measurement chip RN8209G.The node has intelligent switch control,collection of electric energy,overload protection and power consumption management and other functions.Nodes are designed to test the hardware and networking communications testing laboratories.Experimental verification of the developed node can realize remote monitoring and control of user-side power and has a good real-time performance and accuracy.

Key words:wireless sensor network; remote power monitoring; intelligent switch control

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.02.003

收稿日期：2015-09-17

作者簡介：通訊蘇峰(1990-),男,在讀碩士,黑龍江訥河人.主要研究方向為電力監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)感知.E-mail:sfeng0226@163.com.

中圖分類號：TM876.2;TP18

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4729(2016)02-0115-05