摘要：為滿足智能開(kāi)關(guān)在大型公共建筑物智能用電系統(tǒng)中的功能需要，設(shè)計(jì)了基于CC1101無(wú)線通信模塊的智能開(kāi)關(guān)，介紹了各組成部分的電路原理，利用STC單片機(jī)全球唯一ID研究了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的無(wú)線組網(wǎng)方法，并詳細(xì)介紹了電量計(jì)量芯片RN8209G的校準(zhǔn)方法。

關(guān)鍵詞：智能開(kāi)關(guān);CC1101;STC15W204S;RN8209G

引言

目前，據(jù)國(guó)家有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑每平方米建筑面積年平均耗電量為85.4度(年平均85.4 kWh/m2)，約占全國(guó)城鎮(zhèn)總耗電量的22%，每平方米耗電量是普通居民的10～20倍，是歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家同類建筑的1.5～2倍。

一方面，我國(guó)大型公共建筑用電巨大，另一方面，也缺乏直接數(shù)據(jù)為用電節(jié)能決策的制定提供參考。為此，國(guó)務(wù)院令第531號(hào)《公共機(jī)構(gòu)節(jié)能條例》第14條明確指出：公共機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)實(shí)行能源消費(fèi)計(jì)量制度，區(qū)分用能種類，用能系統(tǒng)實(shí)行能源消費(fèi)分戶、分類、分項(xiàng)計(jì)量，并對(duì)能源消耗狀況實(shí)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、糾正用能浪費(fèi)現(xiàn)象。江蘇、上海等地方分別推出蘇建科[2007]217號(hào)文《江蘇省公共建筑用能計(jì)量設(shè)計(jì)規(guī)定》和滬建交[2008]828號(hào)文《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)本市民用建筑設(shè)備專業(yè)節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)管理的通知》，進(jìn)一步明確提出對(duì)主要用電設(shè)施分項(xiàng)計(jì)量，對(duì)辦公樓、商場(chǎng)、宿舍等應(yīng)計(jì)量到經(jīng)濟(jì)核算單元，對(duì)醫(yī)療病房、賓館客房、學(xué)校教室應(yīng)按樓層或功能分區(qū)計(jì)量等。

由此可見(jiàn)，大型公共建筑實(shí)行電能分項(xiàng)計(jì)量管理，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)、糾正用電浪費(fèi)，并為建筑節(jié)能考核提供依據(jù)。為此，本文提出了一種成本低廉、工作可靠的基于 CC1101無(wú)線模塊的智能開(kāi)關(guān)，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流、有功功率、無(wú)線過(guò)載保護(hù)、功功率、電量等信息的計(jì)量與數(shù)據(jù)上報(bào)，以及具有定時(shí)通斷、狀態(tài)提示等功能，為電能分項(xiàng)計(jì)量管理提供了一種終端設(shè)備。

1 大型建筑物智能用電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智能用電系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)電力儀表計(jì)量裝置為基本工具，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。該系統(tǒng)主要采用分層分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為監(jiān)控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。監(jiān)控管理層包括一臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及移動(dòng)監(jiān)控客戶端;網(wǎng)絡(luò)通信層包括房間控制器、智能網(wǎng)關(guān);現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要包括環(huán)境參數(shù)傳感器(溫濕度、光照、有害氣體等傳感器設(shè)備)、智能開(kāi)關(guān)、智能插座、房間總電量傳感器。智能用電系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

房間控制器是房間內(nèi)所有采集控制設(shè)備和上層網(wǎng)絡(luò)之間通信的橋梁，負(fù)責(zé)所管轄模塊的數(shù)據(jù)匯總上傳和上行命令的下發(fā);智能網(wǎng)關(guān)是房間無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與LAN網(wǎng)絡(luò)建立連接的橋梁，完成無(wú)線數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)換;監(jiān)控中心可以制定相應(yīng)的用電策略來(lái)管理整個(gè)建筑的用電情況，同時(shí)，數(shù)據(jù)可以通過(guò)LAN總線經(jīng)過(guò)路由器發(fā)布到Internet上，用戶即可通過(guò)移動(dòng)監(jiān)控客戶端登陸網(wǎng)絡(luò)，獲取建筑物內(nèi)的環(huán)境信息及用電信息，實(shí)現(xiàn)用電的智能化。

2 智能開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)方案

為了滿足智能開(kāi)關(guān)在大型公共建筑物智能用電系統(tǒng)中的功能需要，智能開(kāi)關(guān)除了保留傳統(tǒng)的手動(dòng)控制功能以外，還需要遠(yuǎn)程控制、電量計(jì)量、數(shù)據(jù)上傳等功能。

2.1 智能開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖

智能開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包括電源模塊、主MCU、副MCU、無(wú)線通信模塊、電能計(jì)量模塊、繼電器模塊、按鍵等。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

由于智能開(kāi)關(guān)安裝方式為86式，電路板的空間十分有限，為減小電路板面積，電路電源模塊采用廣州禹舜公司生產(chǎn)的YS-5V600MA隔離式開(kāi)關(guān)電源，與普通的穩(wěn)壓電源相比，該開(kāi)關(guān)電源具有體積小巧、電磁兼容性好、輸出紋波噪聲小、精確穩(wěn)壓及瞬變響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有溫度保護(hù)、過(guò)流保護(hù)及短路保護(hù)等功能。三端穩(wěn)壓器LD1117及其外圍電容構(gòu)成DC 5 V/DC 3.3 V轉(zhuǎn)換電路，以滿足設(shè)計(jì)要求。其原理圖如圖3所示。

2.3 電量采集模塊設(shè)計(jì)

電量采集模塊采用RN8209G電量計(jì)量芯片，外圍電路簡(jiǎn)單，支持IEC62053—22：2003標(biāo)準(zhǔn)，能夠采集單相電路的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、電量等參數(shù)。有功、無(wú)功電能脈沖分別從PF、QF引腳輸出，方便校表時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行連接，并支持全數(shù)字的增益、相位和offset校正，可支持 SPI接口與處理器通信，具有體積小、精度高、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其原理圖如圖4所示。

電壓采集是從零線和火線之間串接3個(gè)330 kΩ的電阻和一個(gè)1 kΩ的電阻，1 kΩ電阻分得的電壓輸入到電壓通道的正模擬輸入引腳，電壓通道的負(fù)模擬引腳經(jīng)過(guò)1 kΩ電阻與火線相連，經(jīng)過(guò)RN8209G內(nèi)部采集與計(jì)算得到電壓參量并存放在電壓有效值寄存器中，MCU讀取電壓參量后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理可以得到電壓值。

電流采集是將2 mΩ錳銅分流器串接在供電回路中，當(dāng)燈具工作時(shí)，錳銅分流器兩端便產(chǎn)生微小的壓降，分流器兩端經(jīng)過(guò)1 kΩ電阻器輸入到A路電流通道中，RN8209G經(jīng)過(guò)內(nèi)部采集與計(jì)算得到電流參量并存放在電流有效值寄存器中，MCU讀取電流參量并經(jīng)過(guò)處理便可得到電流值。

2.4 繼電器模塊設(shè)計(jì)

智能開(kāi)關(guān)采用電磁繼電器控制電路的通斷，智能開(kāi)關(guān)的最大負(fù)載可以達(dá)到10 A，可以有效地控制各種照明設(shè)備，電路圖如圖5所示。

2. 5 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊選用CC1101模塊，工作頻段為433 MHz。與WiFi、ZigBee、藍(lán)牙等無(wú)線通信模塊相比，CC1101具有價(jià)格低、傳輸距離遠(yuǎn)、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

無(wú)線通信模塊的核心芯片是TI公司生產(chǎn)的高性能CC1101芯片，具有功耗低、成本低、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部集成了一個(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500kbps。通過(guò)開(kāi)啟集成的調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，能使性能得到提升。

由于CC1101的通信端口為SPI口，通信時(shí)會(huì)占用許多資源，又因?yàn)槠湫畔鞑シ绞綖閺V播模式，當(dāng)通信數(shù)據(jù)量較大時(shí)主MCU工作量較大，所以加入一片 STC15W204S單片機(jī)，負(fù)責(zé)CC1101的SPI端口數(shù)據(jù)與主板單片機(jī)串口之間的信息轉(zhuǎn)發(fā)與預(yù)處理。另外，可以利用STC15W204S單片機(jī)具有全球唯一ID的特性來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線組網(wǎng)方式。

3 智能開(kāi)關(guān)組網(wǎng)及通信可靠性設(shè)計(jì)

3.1 智能開(kāi)關(guān)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

利用STC15W204S單片機(jī)具有全球唯一ID的特性來(lái)設(shè)計(jì)組網(wǎng)方式，其組網(wǎng)流程分為以下步驟：

①首次上電后，主板單片機(jī)向STC15W204S單片機(jī)發(fā)送索要ID命令，單片機(jī)返回ID后主板單片機(jī)將ID號(hào)保存在EEPROM中，作為自身的ID。

②按下主板上的登陸按鍵，主板單片機(jī)發(fā)出帶有ID信息和設(shè)備信息的登錄請(qǐng)求命令，通過(guò)CC1101廣播出去，房間控制器收到此信息后將其記錄下來(lái)，并記錄其位置。

③房間控制器保存成功后，返回帶有此設(shè)備信息的登錄成功命令，智能開(kāi)關(guān)收到此命令后便知已成功入網(wǎng)。

④房間控制器將此設(shè)備信息通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)上傳至網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控中心便可遠(yuǎn)程操作此智能開(kāi)關(guān)。

3.2 通信可靠性設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，為避免無(wú)線信道數(shù)據(jù)沖突，數(shù)據(jù)上傳方式設(shè)計(jì)為輪詢方式，但是輪詢間隔不能過(guò)長(zhǎng)，否則信息上傳過(guò)慢，會(huì)影響實(shí)時(shí)性。如果輪詢時(shí)仍為廣播模式，主MCU便會(huì)一直收到查詢命令，但大部分都不是本體的有效命令。為了減輕主MCU的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，在設(shè)計(jì)上加入信息篩選程序，即通過(guò)副MCU進(jìn)行一次數(shù)據(jù)篩選。篩選流程分為以下步驟：

①副MCU從CC1101中讀取一組數(shù)據(jù)幀。

②判斷此數(shù)據(jù)幀中的ID信息是否與本身ID信息相同。

③如果ID信息相同，則將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主MCU;如果不同，則將此數(shù)據(jù)幀刪除，不做任何處理。

4 智能開(kāi)關(guān)的校準(zhǔn)

校準(zhǔn)是利用標(biāo)準(zhǔn)電能表，將有功/無(wú)功能量脈沖PF/QF通過(guò)光耦直接連接到標(biāo)準(zhǔn)表上，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電能表的誤差讀數(shù)對(duì)RN8209G進(jìn)行校正。經(jīng)過(guò)校正后，智能開(kāi)關(guān)的電壓、電流、功率測(cè)量精度均可達(dá)到0.5 s級(jí)。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電能表對(duì)RN8209G計(jì)量模塊進(jìn)行校表的流程如圖6所示。

4.1 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置主要包括：B通道ADCON設(shè)置、ADC增益選擇、HFConst設(shè)置、起動(dòng)電流設(shè)置、能量累加模式設(shè)置、其他參數(shù)設(shè)置。

無(wú)需考慮防竊電功能，因此不需向B通道輸入電流信息，可設(shè)置ADCON，關(guān)閉B通道，ADC增益選擇默認(rèn)增益。

RN8209外部晶振為3.579 545 MHz，HFConst的計(jì)算公式如下：

式中，Vu為電壓通道的電壓，經(jīng)220 V分壓后得到，本設(shè)計(jì)中為222 mV左右;Vi為額定電流輸入時(shí)電流通道的電壓，在本設(shè)計(jì)中為32 mV;Un是輸入電壓220 V;Ib是額定電流10 A;EC為電表常數(shù)，設(shè)定為1 600 IMP/KWH。

其他設(shè)置方法不再一一贅述。

4.2 有功校正

有功校正包括功率增益校正和相位校正。

功率增益校正可通過(guò)配置GPQA寄存器實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行功率增益校正時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)表設(shè)置為100%Ib，PF=1L，讀出誤差為ERR，Pgain可通過(guò)下式計(jì)算：

相位校正可通過(guò)配置PHSA寄存器實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行相位校正時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)表設(shè)置為100%Ib，PF=0.5L，讀出誤差為ERR，通過(guò)下式計(jì)算PHSA：

如果PHSA>0，校正值是將PHSA取整;如果PHSA0，校正值是PHSA+28后取整。

4.3 有效值校正

有效值校正包括電流offset校正、額定電流校正、額定電壓校正，具體方法不再贅述。

結(jié)語(yǔ)

智能開(kāi)關(guān)的測(cè)試主要有兩個(gè)方面：無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)距離測(cè)試和電參量精確度測(cè)試。將智能開(kāi)關(guān)接入照明回路中上電運(yùn)行，經(jīng)過(guò)組網(wǎng)后，監(jiān)控中心便可查詢此開(kāi)關(guān)的計(jì)量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量功能。

通過(guò)測(cè)試，智能開(kāi)關(guān)可以有效地進(jìn)行組網(wǎng)，通過(guò)接收監(jiān)控中心的命令來(lái)控制燈具的亮滅，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率為9 600 bps和發(fā)射功率為10 dBm時(shí)，空曠地有效通信距離可達(dá)400 m，室內(nèi)測(cè)試可穿透兩層實(shí)體墻，并可將計(jì)量的電壓、電流、功率等參數(shù)上傳至網(wǎng)絡(luò)。各電參量測(cè)量精度均可達(dá)到0.5S級(jí)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該智能插座具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、通信可靠、計(jì)量精確等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中基本滿足了大型公共建筑物智能用電系統(tǒng)的需要。