綠色傳感網中智能抄表系統設計

　　2.3 通訊及接口卡模塊

　　方案設計了RS485、電力線載波、紅外三種通信方式。其中電力線載波采用ST7570集成載波通訊芯片。接口設計了ESAM卡、Smart
Card以及miniUSB接口。其中，紅外通訊的電路圖如圖5所示。

　　2.4 電源模塊

　　電源采用開關電源結構，其設計示意圖如圖6所示。市電經過雷擊、過流保護、過壓保護，濾波，整流進入高頻變壓器，從變壓器二次側分成三路繞組，分別經KF50B電壓調節器穩壓后引出。一路給RS485通訊部分供電；一路又分為兩支，+12V一支直接給繼電器和電力載波供電，另一支經DC-DC變換后給MCU、喚醒電路供電；第三路則給隔離、比較器及其他部分模塊供電。控制開關部分采用VIPER27芯片，集成了一個電流PWM開關和N溝道的MOSFET，最小擊穿電壓為800V。二次側分成三路繞組引出，增加了一定的布線難度，但是簡化了電路模塊間的隔離。為減小電磁干擾，在輸出+12V繞組接一個330pF/100V電容，+5V輸出繞組接入330pF/2kV電容，在PG與地之間還單獨并入防串擾電容。

　　2.5 軟件部分設計

　　結合計量芯片的底層驅動程序，分模塊進行電表的軟件設計。軟件主要由初始化和系統管理主程序，時鐘模塊程序、顯示模塊程序、電源管理程序、通訊模塊程序和事件告警程序組成。其中通訊中的電力線載波、紅外按照用電部門既定規約通信。事件告警程序監控電表的過載、竊電和開蓋等事件。

　　3 wireless HART及抄表通信
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　　綠色傳感網各個層次已經有眾多的協議，如Direct
Diffusion，LEACH，S-MAC，ZigBee等等，配合拓撲結構，能夠提供豐富的冗余路徑，可以提高數據傳輸的可靠性，增強網絡抵抗環境干擾的能力。隨著AMI技術的發展，綠色傳感網用于智能抄表將是新趨勢，但是大多數無線抄表基于私有的通信協議，而wirelessHART建立在HART之上，是當前工業界使用最廣泛的國際標準。該協議與ZigBee的比較見表1。wirelessHART具有比ZigBee更高的可靠性、安全性以及更低的設備功耗，本設計中，采集器、集中器均用STM32F103處理器和CC2520收發機芯片。集中器則增加GPRS模塊，作為抄表遠程通信信道。抄表網絡結構示意圖如圖7所示,
每一個采集器懸掛16個智能電表單元，同時具有路由功能。網關為采集器現場設備和管理主站提供接口，向下通過wirelessHART無線網絡收集采集器的電表數據，向上通過GPRS將數據上傳到電力部門應用管理主機。

　　4 檢測

　　經過測試，該單相智能電表工作電壓為220VAC± 20%，頻率范圍為50Hz ± 10%，精度達到0.5級，Ib =5A,Imax=60A；可以實現四象限電能計量，電壓、電流參數、功率因數測量和顯示；快速數字校準和單線篡改檢測；可編程能量脈沖LED輸出；多費率、預付費帳戶管理等功能。交流電源和電池切換，功耗在交流模式時在3W范圍內，電池模式時小于6.5mA，待機模式時小于52μA。將電表通過RS485接到基于wirelessHART協議的采集器、集中器無線組網抄表，在實驗條件下進行測試，發射節點功率控制在50mW之內，通信距離在200m內，一次性采集成功率和周期性采集成功率均達到99%以上，電表運行正常。

　　5 結論

　　本文將綠色傳感網絡的技術理念應用于智能用電和AMI，設計了滿足要求的智能電表，電表使用STM32處理器，運行效率優于16位方案，而功耗增加不大。在綠色傳感網絡抄表實現上，將智能電表結合采集器作為傳感網中的網絡節點，使用wirelessHART協議構建抄表本地通信網絡，實現了電表的功能及智能抄表系統。通過協議與ZigBee協議相比較，該抄表系統在節點功耗、可靠性和安全性方面有一定提高。其特點還在于構建電表和系統的主要芯片基本在ST公司的產品框架內，簡化了對硬件維護升級。目前該智能電表方案已基本確定，而綠色傳感網絡技術應用于智能用電的潛力，如進一步降低系統功耗，提高AMI抗電磁干擾能力和通信效率，改善服務質量等尚有待更深入地挖掘研究。