袁玉英，羅永剛，楊禾牧

（1.山東理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司平陽縣供電公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

為了掌握企業(yè)、家庭的用電情況，為能源的生產(chǎn)、調(diào)度提供依據(jù)，需要采集電能表運行數(shù)據(jù)并且遠程傳輸至云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘或者分析?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集方案主要是集中器通過RS485 總線連接多個電能表，電能表采集用電量、電壓等參數(shù)，集中器匯總電能表數(shù)據(jù)，然后通過公用通信網(wǎng)絡(luò)遠傳至云平臺。但是由于數(shù)據(jù)通信采用有線方式，因此需要施工布線，并且由于需要配備集中器、采集器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，增加了抄表系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。

近幾年，物聯(lián)網(wǎng)市場發(fā)展如火如荼，實現(xiàn)萬物互聯(lián)互通，其中低速率、高延時的應(yīng)用市場占據(jù)了物聯(lián)網(wǎng)連接的60%以上。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）具有覆蓋廣、海量連接、低功耗、穿透力強等特點，當(dāng)之無愧成為行業(yè)熱點［1］。在電能表內(nèi)增加NB-IoT 模塊，電能表采集的用電量、電壓、電流等信息通過NB-IoT 模塊與云平臺直接交互，使用簡單方便，不僅省去了布線、配套集中器等成本，還提高了數(shù)據(jù)安全和可靠性［2］。提出一種低成本物聯(lián)網(wǎng)電能表設(shè)計方法，介紹總體設(shè)計方案，并對CPU電路、采樣電路、通信電路進行詳細介紹，最后制作樣機，并對樣機進行精度測試和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳等試驗，試驗結(jié)果證明了所設(shè)計電能表精度滿足要求，數(shù)據(jù)通信可靠。

1 總體方案

電能表主要包括CPU 電路、采樣電路、通信電路等，原理如圖1 所示。CPU 電路完成數(shù)據(jù)顯示、按鍵處理、計量、掉電檢測等功能；采樣電路完成對電流、電壓的取樣，送入CPU 電路；電源部分將220 V交流電變?yōu)? V 直流電，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的供電；按鍵和顯示部分主要用于對電能表參數(shù)的顯示，例如顯示有功功率、電壓、電流、頻率等參數(shù)；通信部分通過NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)云平臺與電能表數(shù)據(jù)的直接交互。

圖1 電能表組成

2 處理器電路設(shè)計

電能表處理器選用HT5017，CPU 電路設(shè)計如圖2 所示。

圖2 主電路設(shè)計

HT5017 芯片是一個低功耗、高性能的單相電能計量SOC 芯片，集成了ARM 內(nèi)核，具有64 KB 的程序存儲空間，并且具有LCD 驅(qū)動模塊以及RTC 模塊、EMU 模塊、電源管理模塊等。因此，只需要一個芯片再配合少量外圍器件，便能完成對于電能的計量、顯示、校準(zhǔn)、通信等功能。

芯片內(nèi)計量部分主要包括3 個單獨的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC） 以及信號處理模塊，3 個ADC 完成2 路電流信號和1 路電壓信號的采樣，數(shù)字信號處理模塊主要完成有功、無功以及視在功率的計算并存入對應(yīng)寄存器中供處理器讀取。

3 采樣電路

電流采樣電路如圖3 所示，電流流過錳銅片產(chǎn)生壓降，然后通過阻容濾波電路后作為輸入接HT5017芯片引腳，通過ADC 完成對于電流的采樣。

圖3 電流采樣電路

電壓采樣電路如圖4 所示，主要通過電阻網(wǎng)絡(luò)降壓，然后通過電容濾波輸入到HT5017 芯片中，完成電壓的采集。電流電壓乘積經(jīng)過濾波作為有功功率存入對應(yīng)寄存器。有功電能可以使用脈沖方式輸出，用于電能表的校表［3-4］。

芯片集成顯示驅(qū)動電路，使用LCD 用于顯示測量的電能以及電流電壓等參數(shù)。與傳統(tǒng)分立式電能表設(shè)計方案相比，該方案集成度高、可靠穩(wěn)定、性價比高，更具有市場競爭力。

圖4 電壓采樣電路

4 通信電路

圖5 NB-IoT 模塊原理

為了能通過NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，通信電路使用M5310-A 集成模塊，該模塊是滿足BAND3／BAND5／BAND8 的工業(yè)級NB-IoT 模組，具有寬電壓供電、超低功耗和超寬的溫度范圍等優(yōu)勢，支持常用IPV6、UDP、TCP、COAP、MQTT 等協(xié)議。芯片對外的接口是串行口，支持4 800～115 200 bit／s 的波特率，使用標(biāo)準(zhǔn)AT 指令，方便用戶使用［5］。

通信電路設(shè)計原理如圖5 所示。

上電后芯片默認自動啟動，不需要復(fù)位，通過串口連接HT5017。模塊上電后會主動尋找網(wǎng)絡(luò)并且注冊，因此通過AT+CGREG 命令查找注冊狀態(tài)。如果模塊是第1 次注冊，模塊會去搜索所有頻段，直到找到能完成注冊的網(wǎng)絡(luò)；注冊成功后，記錄附近NB-IoT信號頻點，下次再注冊時，首先尋找記錄的頻點，這樣大大節(jié)約了入網(wǎng)時間。如果設(shè)備移動了位置，則先搜索默認頻點，不能注冊成功后，再去搜索其他頻點，將增加入網(wǎng)時間。因此當(dāng)不能入網(wǎng)時，應(yīng)該清除默認頻點，以免下次浪費注冊時間。

數(shù)據(jù)通過NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)傳送到云平臺，OneNET作為某通信公司主推的面向公共服務(wù)自主研發(fā)的開放云平臺，為各種跨平臺物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、行業(yè)解決方案提供簡便的海量連接、云端存儲、消息分發(fā)和大數(shù)據(jù)分析等優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

5 樣機試驗結(jié)果

按照設(shè)計對樣表焊接后，進行基本誤差檢測，抽取4 只表，在額定電壓UN條件下，分別在0.05I（I 為基本電流10 A）、I、I（0.5 L）條件下校準(zhǔn)，L 為感性負載，校表數(shù)據(jù)如表1 所示，可知誤差均可控制在0.1%之內(nèi)，精度滿足IEC 62053-21 關(guān)于1 級單相電能表1%的規(guī)范要求［5］。

表1 樣表誤差數(shù)據(jù)

NB-IoT 通信試驗采用間隔通信的方式上傳數(shù)據(jù)。電能表間隔15 min 上傳一次表內(nèi)數(shù)據(jù)，上傳具體時間根據(jù)表號后兩位錯開，使用OneNET 平臺接收上傳數(shù)據(jù)。20 只電能表共1 920 次傳輸，一次上傳成功為1 910 次，補傳成功為100%。

6 結(jié)語

基于NB-IoT 的智能物聯(lián)網(wǎng)電能表，數(shù)據(jù)直接傳送到云平臺，省去了采集器、集中器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并且省去了RS485 總線的布線調(diào)試等成本，電能表無需配置即可上網(wǎng)。同時由于NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、功耗低、接入能力強等特點，提供了比GPRS 網(wǎng)絡(luò)更高效的網(wǎng)絡(luò)支持，并且OneNET 云平臺采用統(tǒng)一傳輸協(xié)議，使多種設(shè)備海量接入成為可能。經(jīng)過實踐證明，該設(shè)計成本低、精度高、數(shù)據(jù)傳輸可靠、穩(wěn)定性強，具有非常廣闊的市場前景。