【中心議題】
構建了一種新型的基于ZigBee通訊技術的多用戶智能電表
可實現(xiàn)小區(qū)用戶一個單元內標準16戶的電表無線抄送
【解決方案】
采用MSP430F133單片機控制16個電能計量模塊ADE7755實現(xiàn)自動抄表
通過CC2420芯片以ZigBee無線通訊的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳下載
使用SSR執(zhí)行自動斷電功能
0引言
隨著公元2000年“后PC”時代的來臨，電表的發(fā)展由“機電一體化”時代進入“智能”時代，其標志是電表從單純被動抄表到電能數(shù)據(jù)自動遠程傳送以及附屬功能的多樣化(例如復費率、自動斷電等)。正在興起的無線傳感器網絡技術是電表發(fā)展的最新前進方向;從根本上講，自動抄表系統(tǒng)是一種監(jiān)控內容少，實時性要求弱的監(jiān)控系統(tǒng)，而無線傳感器網絡技術所具有的無線傳輸，免費傳輸頻段，傳輸數(shù)據(jù)量小，傳輸速率慢，節(jié)點數(shù)量多，組網方式靈活，構建成本低廉的特點正是自動抄表系統(tǒng)所追求的目標，電表作為自動抄表系統(tǒng)的硬件基礎與無線傳感器網絡相結合符合技術發(fā)展的要求。
ZigBee無線通訊技術作為當前應用最為廣泛的無線傳感器網絡技術的代表在自動抄表產品中已經有初步的應用，但是多以抄表器上傳通訊手段的方式在自動抄表中應用，隨著微電子技術和嵌入式技術的發(fā)展，抄表器的功能完全可以由智能電能表兼容，因此自動抄表系統(tǒng)中的抄表器及其下層附屬的各個電表完全可以由一個采用ZigBee通訊方式的多用戶智能電表替代，文中設計的智能電表即采用這種技術方案。
1設計方案
文中的設計針對對象是小區(qū)用戶，在小區(qū)內每一座住宅樓的各個單元中安裝一塊智能電表，標準設計中，一塊電表可實現(xiàn)一個單元最多16戶的電能自動測量和自動斷電等附屬功能(可通過增加數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)目實現(xiàn)一個單元更多的用戶點數(shù)目)。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，從系統(tǒng)功能結構上電表可分為控制單元，測量與執(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，控制器模塊按照預先設定的控制程序通過對數(shù)據(jù)選擇器的相應操作逐次接受對應電能計量模塊傳送的脈沖信號，按照文中設計的計量方式，經內部計算處理后，得出其在循環(huán)周期內的電量數(shù)據(jù)，實時累加存儲并定時以ZigBee通訊方式上傳，同時控制執(zhí)行器模塊/通訊模塊實現(xiàn)對實時/定時的欠費斷電/實時抄送命令的執(zhí)行。而且控制器單元作為智能電表的大腦也負責了整個電表系統(tǒng)日常工作的運行與維護。
1.2測量與執(zhí)行單元
電表的測量單元由16個電表計量模塊與一個16選1數(shù)據(jù)選擇器組成，每一塊計量模塊由ADE7755電能計量芯片及其附屬電路構成，實現(xiàn)一個家庭用戶的電能自動測量，符合當前“一戶一表”的要求，ADE7755可以實現(xiàn)用電量的自動測量，將當前用電量以脈沖信號的形式經過數(shù)據(jù)選擇器輸送到控制器，而16選 1數(shù)據(jù)選擇器可通過設定的程序逐次將各個計量模塊的脈沖信號輸送到控制器，針對家庭居民用戶，用電功率小且功率曲線平緩不易突變的特點，采用在一循環(huán)時間周期內用其中某一時間段的平均功率代替整個時間范圍平均功率的計量方式。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，每2s逐次接通一個數(shù)據(jù)測量通道，控制器記錄下相應電能計量模塊在2s時間內的積累脈沖數(shù)。
采用此種計量方式不僅可以保證測量精度，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其4個控制引腳的不同職位實現(xiàn)16個數(shù)據(jù)上傳通道的逐次接通。電表的執(zhí)行單元由一個4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器和16個SSR構成，一旦單片機收到上端集中器下傳來的欠費或者其他原因引起的斷電信號就立即通過對4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器的G0,G1,A,B,C,D 6個引腳的不同置位控制相應用戶所屬的固態(tài)繼電器切斷其電源供應。
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。從過程上講，采用CC2420芯片通過ZigBee局域網絡將16戶的當前用電量以被動查詢或定時上傳的形式發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器。或者將上層數(shù)據(jù)集中器的查詢命令與欠費自動斷電命令下載到控制器單元。從數(shù)據(jù)傳輸結構上講，一定數(shù)目的多用戶智能電表和一個集中器構成中心結構的ZigBee局域網絡。
2硬件設計
2.1控制器單元原理圖電路構建
控制單元以MSP430F133單片機作為核心控制芯片，MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Processor)。稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實際應用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。
MSP430F133單片機在32s的循環(huán)周期內通過控制數(shù)據(jù)選擇器的4位選擇引腳，每2s逐次接通一個通道將從對應電能計量模塊上傳來的累加脈沖信號累加到對應的累加器單元中，在每10min將積累的計量脈沖計算轉化為相應的用電量數(shù)據(jù)附加上當前的時間常數(shù)存儲到對應的存儲器單元中。在每1h末按照預先的程序定時上傳存儲數(shù)據(jù)或者隨時執(zhí)行下傳的抄送命令立即將積累的脈沖計算轉化為用電數(shù)據(jù)附加上此刻的時間常數(shù)，和前1h末到此刻積累的存儲數(shù)據(jù)一起發(fā)送到上層的集中器。發(fā)送的方式是通過ZigBee通訊模塊發(fā)送到小區(qū)內的數(shù)據(jù)集中器上端。同時可隨時將上端傳送來的欠費或其他原因造成的斷電指令發(fā)送到執(zhí)行模塊，實現(xiàn)自動斷電功能?？刂破骶唧w硬件構建如下：
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矩陣鍵盤進行參數(shù)設置;外擴了 FM24C16以增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲能力;用戶的用電量顯示可精確到最新10m內的用電量，采用6只共陰極LED數(shù)碼管構成的動態(tài)掃描顯示電路第一位采用16 進制數(shù)字表示16個用戶，其后的5位數(shù)字顯示相應用戶的當前用電量，精度可以精確到小數(shù)點后2位數(shù)。也可以將其用電量數(shù)據(jù)經單片機處理后直接循環(huán)逐次顯示當前用電費用，采用不同時刻不同費率的計算處理手段同時可以實現(xiàn)計費復費率功能。其具體硬件原理連接電路圖如圖2所示。
2.2測量及其執(zhí)行單元原理圖電路構建
測量單元中數(shù)字式電能計量芯片采用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是美國著名的ADI公司設計生產的一種脈沖輸出的電能計量集成芯片，在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準確度和長期穩(wěn)定性。它內部集成了包含相位校正、乘法器、數(shù)字一頻率轉換器、信號處理電路組成的電能計量運算的核心電路，并能將電量以與瞬時功率成正比的脈沖輸出形式提供給MCU,單片機只需通過計數(shù)器自動記錄一定時間間隔內傳送的脈沖數(shù)，然后與功率/頻率轉換參數(shù)相乘即可得出這一時間段內的用電量。單片機在不同時間采用不同的費率/功率參數(shù)即可方便的實現(xiàn)復功率計費。
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,戶用電最大電流值為20A,則PMAX=2.2kW,CFMAX=125Hz,系統(tǒng)設計要求CFMIN=0.5Hz,則PMIN=8.8W。即文中的多用戶智能電表能夠測量的最低功率為8.8W。
MSP430F133通過對74LS150的A、B、C、D 4個引腳的不同置位實現(xiàn)E0-E15共16條通道的依次接通。而ADE7755將當前用電功率以脈沖頻率的形式輸送到MSP430F133,實現(xiàn)自動抄表;一旦上位集中器發(fā)送斷電命令，單片機通過4線—16線數(shù)據(jù)輸出控制器74HC154的置位控制相應的SSR固態(tài)繼電器實現(xiàn)斷電，原理是通過光電耦合器 MOC3061驅動IGBT的關斷。其具體硬件原理連接電路圖如圖3所示。
