基于ZigBee的電力負荷監控裝置

作者/孟獻儀 徐州和緯信電科技有限公司，董建 合肥同智幾點控制技術有限公司，郭健鵬 中國礦業大學徐海學院

　　引言

　　隨著智能家居行業的快速發展，電力用戶對電網的電能質量要求越來越高，同時用戶對電網的擾動也在不斷加強。為了確保安全、優質用電，須進一步加強對電力負荷的管理，實現遠程監控。本裝置采用單片機實現對電力負荷監測，能夠監測電力負荷的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等多個參數，實現負荷數據采集、超功率斷電并報警、數據無線實時上傳等功能，能有效對負荷進行監測，并通過上位機進行遠程控制。

　　1裝置硬件

　　裝置可分為現場數據采集部分、控制部分和上位機部分，如圖1所示。

　　圖1 硬件組成框圖

　　1.1測量電路

　　本設計是采用上海東軟載波微電子HR7P193單片機和CSE7759芯片設計電量采集模塊為核心設計的電力負荷在線監測系統，應用單片機進行數據處理， CSE7759是一款高性能電量集成芯片，其內部集成振蕩器、AD轉換等電路模塊，能自主將采樣電壓、電流轉換為脈沖，具有模擬量輸入，數字量輸出的顯著特征，具有兩個模數轉換器ADC、內置時鐘、乘法器、濾波器等功能模塊。

　　采樣電路采用電阻采樣方式，電壓采樣是將220V市電電壓通過4個470kΩ電阻和一個1kΩ電阻串聯分壓從而得到采樣小信號電壓，電流信號采用錳銅采樣電阻，其中錳銅電阻采用2mΩ，錳銅電阻選用不宜太大，否則溫飄將會嚴重影響測量結果，其采樣的電壓、電流信號為：

　　由于在電器開、關機時，感性負載兩端會產生較大的脈沖，因此設計了浪涌保護電路，浪涌保護電路由壓敏電阻和保險管組成，壓敏電阻的選取：根據交流電壓的兩倍承受電壓值，并考慮留有裕量，故選取10K471，保險管根據允許最大電流為10A的保險管。電路如圖2所示。

　　圖2 測量電路

　　1.2過載自動斷電電路

　　無線電力負荷監測系統中用電負荷現場部分通過控制繼電器實現自動斷電功能。根據負載特征，要求繼電器DC125-DC250V之間都能正常工作，且觸電容量高達10A，因此選用SRD-05VDC-SL-C型繼電器。過載自動斷電電路如圖3所示。在電路中，通過三極管的通斷，來使繼電器工作，同時三極管的放大作用能增加驅動能力。由于繼電器成份為線圈，使用D1作為續流二極管，預防繼電器斷開時所產生的反電動勢擊穿三極管，毀壞設備。

　　圖3 過載自動斷電電路

　　1.3 ZigBee無線通信電路

　　本設備采用的QAZ系列ZIGBEE無線模塊，是適應市場需要推出的標準ZIGBEE產品，它基于TI公司CC2530F256芯片，內部運行Zigbee2007/PRO協議棧，具有ZIGBEE協議的全部特性。其電壓為5V/DC供電，具有較強抗干擾能力，傳輸距離約1公里。 針對復雜的ZIGBEE協議，本模塊將協議棧嵌入模塊內部，上電后自動組網，無需了解協議棧，只需要讀寫串口，即可實現數據的無線傳輸，簡單易用。

　　ZigBee的數據傳輸分為三種模式，即：點播、組播、廣播，本方案只設計了點對點通信方案， ZigBee模塊點對點傳輸就能完成，所以本設計只用到ZigBee三種網絡結構的其中的一種即星形網絡。圖4是通信電路系統框圖。

　　圖4 ZigBee通信電路系統框圖

　　1.3.1單片機與ZigBee電路連接

　　QAZ2421版的ZigBee模塊通過RS232接口與外界實現串口通信，RS232邏輯負為+12V，邏輯正為-12V;單片機串口電路采用TTL電平，TTL電平邏輯正為+5V，邏輯負為0V;很顯然兩者之間不能簡單地用導線相連實現通信，如下圖在兩者之間串入MAX232電平轉換芯片，便解決了TTL與RS232電平不匹配的問題。

圖5單片機與ZigBee電路連接

　　1.3.2單片機與ZigBee串口通信

　　一般情況下，ZigBee自組網可配合上位機進行設置，從而保證成功組網。組網后，協調器的短地址默認為0x0000，為路由器單向傳輸到協調器提供了方便。但是組建網絡后，由于路由器的短地址是隨機的，如果單片機上應用ZigBee短地址相互通信，不易實現程序的固定化，從而給點對點傳輸造成了麻煩，因此我們采用數據+自定義地址的方法，有效地解決了上面的問題。

　　對于自定義地址通信的問題，由于QAZ系列ZigBee模塊擁有完整的串口指令集，因此可以通過串口設置，實現ZigBee自定義地址的修改。從這一角度上說，只要單片機內燒錄寫有相應自定義地址的串口程序，在電路連接成功后，便可以初始化ZigBee的自定義地址，從而達到了點對點通信的目的。

　　1.4 單片機最小系統

　　本裝置采用上海東軟載波微電子HR7P193單片機為核心控制元件。HR7P193是一款8位MCU。主要用于家電、工業控制和汽車電子等領域。它的工作電壓范圍為3.0V ~ 5.5V，IDLE電流：160uA Typ.動態電流為5mA@8MHz，Typ. 系統時鐘工作頻率最高為16MHz ，內部16MHz RC時鐘，全溫度頻率精度-10%~+5%，最多29個I/O端口，8K x 15bits Code Flash(Data Flash可選)，496 x 8bits SRAM，支持ISP，IAP，ICD功能，有一個8位定時器，三個8位時基定時器，一個16位門控定時器三路單邊PWM，10位分辨率，一路UART，一路I2C接口，只支持單主控模式ADC：10位精度，5通道，自帶LCDC液晶顯示驅動：4x13，4x17。最小系統如圖6所示。

　　圖6 主控最小系統

　　2上位機

　　上位機既可以在操作界面中顯示采集到的數據信息，又能控制相應的設備動作。裝置的上位機是選取C++ Builder 完成的。界面如圖7所示。

　　圖7 上位機界面

　　該上位機還可以進行3D顯示波形，單擊右鍵就會出現“曲線截圖、曲線清除、3D顯示”等功能，還可以通過左鍵把波形進行局部放大。當單擊“開/關”按鈕，上位機會發出命令10(十六進制)，再次按下按鈕上位機發出命令11(十六進制)，下位機收到命令時就能控制繼電器的閉合與關斷，從而控制現場設備和電網的連接情況，實現設備的遠程控制;同時，按鈕控制繼電器每斷開一次，上位機顯示界面中斷電次數就會加1，達到對負荷用電情況監測的目的。

　　3結論

　　通過測試，本裝置可以實時準確地獲取用電負荷的耗電信息，并將用電信息發送給遠程監控終端;設備可通過上位機對設備進行遠程控制，達到安全、優質用電的效果。