【中心議題】
構(gòu)建了一種新型的基于ZigBee通訊技術(shù)的多用戶(hù)智能電表
可實(shí)現(xiàn)小區(qū)用戶(hù)一個(gè)單元內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)16戶(hù)的電表無(wú)線抄送
【解決方案】
采用MSP430F133單片機(jī)控制16個(gè)電能計(jì)量模塊ADE7755實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表
通過(guò)CC2420芯片以ZigBee無(wú)線通訊的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳下載
使用SSR執(zhí)行自動(dòng)斷電功能
0引言
隨著公元2000年“后PC”時(shí)代的來(lái)臨，電表的發(fā)展由“機(jī)電一體化”時(shí)代進(jìn)入“智能”時(shí)代，其標(biāo)志是電表從單純被動(dòng)抄表到電能數(shù)據(jù)自動(dòng)遠(yuǎn)程傳送以及附屬功能的多樣化(例如復(fù)費(fèi)率、自動(dòng)斷電等)。正在興起的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是電表發(fā)展的最新前進(jìn)方向;從根本上講，自動(dòng)抄表系統(tǒng)是一種監(jiān)控內(nèi)容少，實(shí)時(shí)性要求弱的監(jiān)控系統(tǒng)，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所具有的無(wú)線傳輸，免費(fèi)傳輸頻段，傳輸數(shù)據(jù)量小，傳輸速率慢，節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，組網(wǎng)方式靈活，構(gòu)建成本低廉的特點(diǎn)正是自動(dòng)抄表系統(tǒng)所追求的目標(biāo)，電表作為自動(dòng)抄表系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合符合技術(shù)發(fā)展的要求。
ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)作為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的代表在自動(dòng)抄表產(chǎn)品中已經(jīng)有初步的應(yīng)用，但是多以抄表器上傳通訊手段的方式在自動(dòng)抄表中應(yīng)用，隨著微電子技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，抄表器的功能完全可以由智能電能表兼容，因此自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的抄表器及其下層附屬的各個(gè)電表完全可以由一個(gè)采用ZigBee通訊方式的多用戶(hù)智能電表替代，文中設(shè)計(jì)的智能電表即采用這種技術(shù)方案。
1設(shè)計(jì)方案
文中的設(shè)計(jì)針對(duì)對(duì)象是小區(qū)用戶(hù)，在小區(qū)內(nèi)每一座住宅樓的各個(gè)單元中安裝一塊智能電表，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，一塊電表可實(shí)現(xiàn)一個(gè)單元最多16戶(hù)的電能自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)斷電等附屬功能(可通過(guò)增加數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)目實(shí)現(xiàn)一個(gè)單元更多的用戶(hù)點(diǎn)數(shù)目)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，從系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)上電表可分為控制單元，測(cè)量與執(zhí)行單元，通訊單元三部分。具體功能分析如下：
1.1控制單元
電表的控制單元由基于MSP430F133的控制器模塊組成，控制器模塊按照預(yù)先設(shè)定的控制程序通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)選擇器的相應(yīng)操作逐次接受對(duì)應(yīng)電能計(jì)量模塊傳送的脈沖信號(hào)，按照文中設(shè)計(jì)的計(jì)量方式，經(jīng)內(nèi)部計(jì)算處理后，得出其在循環(huán)周期內(nèi)的電量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)累加存儲(chǔ)并定時(shí)以ZigBee通訊方式上傳，同時(shí)控制執(zhí)行器模塊/通訊模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)/定時(shí)的欠費(fèi)斷電/實(shí)時(shí)抄送命令的執(zhí)行。而且控制器單元作為智能電表的大腦也負(fù)責(zé)了整個(gè)電表系統(tǒng)日常工作的運(yùn)行與維護(hù)。
1.2測(cè)量與執(zhí)行單元
電表的測(cè)量單元由16個(gè)電表計(jì)量模塊與一個(gè)16選1數(shù)據(jù)選擇器組成，每一塊計(jì)量模塊由ADE7755電能計(jì)量芯片及其附屬電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)一個(gè)家庭用戶(hù)的電能自動(dòng)測(cè)量，符合當(dāng)前“一戶(hù)一表”的要求，ADE7755可以實(shí)現(xiàn)用電量的自動(dòng)測(cè)量，將當(dāng)前用電量以脈沖信號(hào)的形式經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)選擇器輸送到控制器，而16選 1數(shù)據(jù)選擇器可通過(guò)設(shè)定的程序逐次將各個(gè)計(jì)量模塊的脈沖信號(hào)輸送到控制器，針對(duì)家庭居民用戶(hù)，用電功率小且功率曲線平緩不易突變的特點(diǎn)，采用在一循環(huán)時(shí)間周期內(nèi)用其中某一時(shí)間段的平均功率代替整個(gè)時(shí)間范圍平均功率的計(jì)量方式。文中選取32s作為循環(huán)周期，具體地講，在32s的循環(huán)周期內(nèi)，每2s逐次接通一個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量通道，控制器記錄下相應(yīng)電能計(jì)量模塊在2s時(shí)間內(nèi)的積累脈沖數(shù)。
采用此種計(jì)量方式不僅可以保證測(cè)量精度，而且大大節(jié)省了控制器芯片的端口資源從而有效降低系統(tǒng)成本。數(shù)據(jù)選擇器采用控制器對(duì)其4個(gè)控制引腳的不同職位實(shí)現(xiàn)16個(gè)數(shù)據(jù)上傳通道的逐次接通。電表的執(zhí)行單元由一個(gè)4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器和16個(gè)SSR構(gòu)成，一旦單片機(jī)收到上端集中器下傳來(lái)的欠費(fèi)或者其他原因引起的斷電信號(hào)就立即通過(guò)對(duì)4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器的G0,G1,A,B,C,D 6個(gè)引腳的不同置位控制相應(yīng)用戶(hù)所屬的固態(tài)繼電器切斷其電源供應(yīng)。
1.3通訊單元
電表與上層集中器的通訊方式采用ZigBee通訊方式。從過(guò)程上講，采用CC2420芯片通過(guò)ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)將16戶(hù)的當(dāng)前用電量以被動(dòng)查詢(xún)或定時(shí)上傳的形式發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器?；蛘邔⑸蠈訑?shù)據(jù)集中器的查詢(xún)命令與欠費(fèi)自動(dòng)斷電命令下載到控制器單元。從數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)上講，一定數(shù)目的多用戶(hù)智能電表和一個(gè)集中器構(gòu)成中心結(jié)構(gòu)的ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)。
2硬件設(shè)計(jì)
2.1控制器單元原理圖電路構(gòu)建
控制單元以MSP430F133單片機(jī)作為核心控制芯片，MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器(TI)1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器(Mixed Signal Processor)。稱(chēng)之為混合信號(hào)處理器，主要是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。
MSP430F133單片機(jī)在32s的循環(huán)周期內(nèi)通過(guò)控制數(shù)據(jù)選擇器的4位選擇引腳，每2s逐次接通一個(gè)通道將從對(duì)應(yīng)電能計(jì)量模塊上傳來(lái)的累加脈沖信號(hào)累加到對(duì)應(yīng)的累加器單元中，在每10min將積累的計(jì)量脈沖計(jì)算轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的用電量數(shù)據(jù)附加上當(dāng)前的時(shí)間常數(shù)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器單元中。在每1h末按照預(yù)先的程序定時(shí)上傳存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或者隨時(shí)執(zhí)行下傳的抄送命令立即將積累的脈沖計(jì)算轉(zhuǎn)化為用電數(shù)據(jù)附加上此刻的時(shí)間常數(shù)，和前1h末到此刻積累的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)一起發(fā)送到上層的集中器。發(fā)送的方式是通過(guò)ZigBee通訊模塊發(fā)送到小區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)集中器上端。同時(shí)可隨時(shí)將上端傳送來(lái)的欠費(fèi)或其他原因造成的斷電指令發(fā)送到執(zhí)行模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電功能。控制器具體硬件構(gòu)建如下：
系統(tǒng)供電采用LM7805整流后的+3.3V直流電源，以+4.5V電池組作為后備電源;系統(tǒng)采用4×4矩陣鍵盤(pán)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置;外擴(kuò)了 FM24C16以增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)能力;用戶(hù)的用電量顯示可精確到最新10m內(nèi)的用電量，采用6只共陰極LED數(shù)碼管構(gòu)成的動(dòng)態(tài)掃描顯示電路第一位采用16 進(jìn)制數(shù)字表示16個(gè)用戶(hù)，其后的5位數(shù)字顯示相應(yīng)用戶(hù)的當(dāng)前用電量，精度可以精確到小數(shù)點(diǎn)后2位數(shù)。也可以將其用電量數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后直接循環(huán)逐次顯示當(dāng)前用電費(fèi)用，采用不同時(shí)刻不同費(fèi)率的計(jì)算處理手段同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)復(fù)費(fèi)率功能。其具體硬件原理連接電路圖如圖2所示。
2.2測(cè)量及其執(zhí)行單元原理圖電路構(gòu)建
測(cè)量單元中數(shù)字式電能計(jì)量芯片采用ADE7755，16選1數(shù)據(jù)選擇器采用74LS150。執(zhí)行單元中4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器采用74HC154，SSR采用MOC3061+IGBT。
ADE7755是美國(guó)著名的ADI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種脈沖輸出的電能計(jì)量集成芯片，在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。它內(nèi)部集成了包含相位校正、乘法器、數(shù)字一頻率轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理電路組成的電能計(jì)量運(yùn)算的核心電路，并能將電量以與瞬時(shí)功率成正比的脈沖輸出形式提供給MCU,單片機(jī)只需通過(guò)計(jì)數(shù)器自動(dòng)記錄一定時(shí)間間隔內(nèi)傳送的脈沖數(shù)，然后與功率/頻率轉(zhuǎn)換參數(shù)相乘即可得出這一時(shí)間段內(nèi)的用電量。單片機(jī)在不同時(shí)間采用不同的費(fèi)率/功率參數(shù)即可方便的實(shí)現(xiàn)復(fù)功率計(jì)費(fèi)。
ADE7755中SCF=0，S1=S0=1。CF輸出選擇最高頻輸出模式，儀表脈沖/功率輸出常數(shù)為204800imp/kWhr,戶(hù)用電最大電流值為20A,則PMAX=2.2kW,CFMAX=125Hz,系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求CFMIN=0.5Hz,則PMIN=8.8W。即文中的多用戶(hù)智能電表能夠測(cè)量的最低功率為8.8W。
MSP430F133通過(guò)對(duì)74LS150的A、B、C、D 4個(gè)引腳的不同置位實(shí)現(xiàn)E0-E15共16條通道的依次接通。而ADE7755將當(dāng)前用電功率以脈沖頻率的形式輸送到MSP430F133,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表;一旦上位集中器發(fā)送斷電命令，單片機(jī)通過(guò)4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器74HC154的置位控制相應(yīng)的SSR固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)斷電，原理是通過(guò)光電耦合器 MOC3061驅(qū)動(dòng)IGBT的關(guān)斷。其具體硬件原理連接電路圖如圖3所示。
