李洪波 李國(guó)良

（興義民族師范學(xué)院， 貴州 興義 562400）

基于STM32的電能表采集器的設(shè)計(jì)

李洪波 李國(guó)良

（興義民族師范學(xué)院， 貴州 興義 562400）

傳統(tǒng)電能表數(shù)據(jù)采集方式已經(jīng)越來(lái)越不能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，必須對(duì)采集過(guò)程進(jìn)行智能化改造?；赟TM32微處理器和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的采集器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了抄表的自動(dòng)化，具有成本低、功耗小、準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

STM32，采集器，無(wú)線傳感器

在電能表的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，傳統(tǒng)的采集方式為人工入戶抄表，盡管現(xiàn)在的電能表已經(jīng)集中放置在室外了，還有一些通過(guò)手持設(shè)備進(jìn)行電能表數(shù)據(jù)的采集，但還是需要安排人員到電能表集中點(diǎn)去抄表，仍存在管理費(fèi)用過(guò)高、采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、有很大的管理漏洞等問(wèn)題。因此，利用現(xiàn)代電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、智能化和快速反應(yīng)能力，提高管理效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，是智能化電能表采集設(shè)備發(fā)展的必然趨勢(shì)。

基于以上問(wèn)題，提出了基于STM32的智能電能表采集器設(shè)計(jì)方案，不用專門(mén)安排人員去抄表，在管理部門(mén)的監(jiān)控中心就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集和控制，從而實(shí)現(xiàn)了電能表數(shù)據(jù)的智能化采集，具有實(shí)時(shí)采集、聲光報(bào)警、液晶顯示、無(wú)線傳輸和智能控制等功能，既能為用戶提供便捷、安全的服務(wù)，又能為電能管理部門(mén)節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本，提高管理效率。

一、工作原理

基于STM32的電能表采集器設(shè)計(jì)方案如圖1所示，以STM32為控制核心，包含電源模塊、EEPROM模塊、聲光報(bào)警模塊、人機(jī)界面模塊、控制模塊、無(wú)線傳感器和GPRS模塊。采集器通過(guò)微處理器STM32的I/O端口定時(shí)采集電能表數(shù)據(jù)，然后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，用戶可以通過(guò)人機(jī)界面模塊查詢并顯示用電信息。當(dāng)用戶數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；蛴脩羟焚M(fèi)時(shí)，聲光報(bào)警模塊就會(huì)工作，電能管理部門(mén)可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制程序，利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，使微處理器通過(guò)控制模塊控制電能表的通斷電。

圖1 基于STM32的電能表采集器

二、硬件電路設(shè)計(jì)

1.STM32微處理器

圖2 晶振電路連接

STM32微處理器屬于意法半導(dǎo)體公司，它是一種高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3內(nèi)核，是為嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ｉT(mén)設(shè)計(jì)的。該微處理器包含12位的AD通道、GPIO接口和標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，最多高達(dá)112個(gè)的快速I(mǎi)/O端口，根據(jù)型號(hào)的不同，有 26，37，51，80，和 112 的 I/O端口，所有的端口都可以映射到16個(gè)外部中斷向量，有3種低功耗模式：休眠、停止、待機(jī)模式[1]。本設(shè)計(jì)采用64管腳的STM32F103微處理器，外接晶振電路如圖2所示，調(diào)試接口JTAG的連接電路如圖3所示。

圖3 調(diào)試接口JTAG的連接電路

2.人機(jī)界面模塊

在人機(jī)界面模塊中，包含鍵盤(pán)和液晶顯示部分，本設(shè)計(jì)采用了一塊5V供電的液晶模塊SMC2004A。SMC2004A的主要技術(shù)參數(shù)是：顯示容量是20×4個(gè)字符，工作電壓是4.8V-5.2V，工作電流是2.0mA，最佳工作電壓是5.0V，故對(duì)其+5.0V電壓即可。

STM32F103微處理器與SMC2004A的連接電路圖如圖 4 所示。PB0、PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7與 SMC2004A的 D0～D7引腳并行連接，模擬數(shù)據(jù)總線，PB8與使能信號(hào)端E連接，PB9與讀寫(xiě)控制信號(hào)R/W連接，PB10連接數(shù)據(jù)命令選擇端RS，V0代表LCD的偏壓輸入，BLK是背光源負(fù)極，BLA是背光源正極。

圖4 LCD液晶連接電路

3.控制模塊

控制模塊安裝在電能表外，用戶電能表的通斷通過(guò)繼電器TQ2-5V控制。TQ2-5V為信號(hào)繼電器，額定電壓為DC5.0V，吸合電壓為DC3.75V，釋放電壓為DC0.5V，額定功率140mW。當(dāng)采集器需要對(duì)用戶實(shí)施斷電操作時(shí)，由STM32F103微處理器給GPIO管腳輸出高電平，經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制繼電器動(dòng)作，完成通斷電操作。

4.無(wú)線傳感器

無(wú)線傳感器負(fù)責(zé)采集器之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用了ZigBee模塊設(shè)計(jì)。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，協(xié)定層從下到上分別為實(shí)體層（PHY）、媒體存取層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。按網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能可分為終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信方式有3種：星狀、網(wǎng)狀、簇狀，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備有PAN協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)組成[2]。

在本系統(tǒng)中采用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)為簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，同時(shí)采用的ZigBee芯片為CC2530，此芯片的電路組成比較簡(jiǎn)單、封裝小、功耗低，所以在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

三、軟件設(shè)計(jì)

STM32微處理器采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，各部分功能可通過(guò)模塊化編程調(diào)用實(shí)現(xiàn)，主程序流程見(jiàn)圖6。可以看出主程序在系統(tǒng)通電后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化、定時(shí)采集電能表數(shù)據(jù)、監(jiān)控電能表和ZigBee通信等操作。

圖6 主程序流程圖

四、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，采用了兩種通信方式，采集器之間通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)相互通信；ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)與用電管理部門(mén)之間通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。Zigbee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接[3]。

五、結(jié)論

基于STM32的電能表采集器，以微處理器STM32F103作為控制核心，在硬件電路設(shè)計(jì)中采用了模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、傳輸和電能表的監(jiān)控等功能；在軟件設(shè)計(jì)中采用了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，有利于程序的編寫(xiě)、升級(jí)和維護(hù)。

[1]張旭，亓學(xué)廣，李世光等.基于STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].電子測(cè)量技術(shù)，2010，33(11):90－93．

[2]蘇維均，邵軍，于重重等.基于ZigBee的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（7）:1812-1814.

[3]李洪波，李國(guó)良，譚福奎.基于ARM 和ZigBee模塊的電度表采集器設(shè)計(jì)[J].興義民族師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（6）.

[4]陳路原.基于CDMA/GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2014，

責(zé)任編輯：王文寶

The Collector Design of Electric Meterbased on STM32

LIHong-bo LiGuo-liang
（Xingyi Normal Universityfor Nationalities，Xingyi,Guizhou 562400,China)

The traditional data acquisition way ofwatt-hour meter?hasn’t been more and more adapt to the development of modern society,must to intelligent collection process.The design of the collector based on the STM32 micro processor and wireless sensor network,realizes the automation of the meter reading,has the advantages of low cost,low power consumption,high accuracy and strongreal-time performance,etc.

STM32;collector;wireless sensor

TP274

1009—0673（2016）01—0112—04

TM933.4

A

2016—01—02

李洪波（1980— ），男，山東泰安人，興義民族師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院教師，研究方向：信號(hào)的采集與處理技術(shù)。