2.3 通訊及接口卡模塊

　　方案設(shè)計(jì)了RS485、電力線(xiàn)載波、紅外三種通信方式。其中電力線(xiàn)載波采用ST7570集成載波通訊芯片。接口設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)示意圖如圖6所示。市電經(jīng)過(guò)雷擊、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)，濾波，整流進(jìn)入高頻變壓器，從變壓器二次側(cè)分成三路繞組，分別經(jīng)KF50B電壓調(diào)節(jié)器穩(wěn)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(jīng)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?？刂崎_(kāi)關(guān)部分采用VIPER27芯片，集成了一個(gè)電流PWM開(kāi)關(guān)和N溝道的MOSFET，最小擊穿電壓為800V。二次側(cè)分成三路繞組引出，增加了一定的布線(xiàn)難度，但是簡(jiǎn)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(gè)330pF/100V電容，+5V輸出繞組接入330pF/2kV電容，在PG與地之間還單獨(dú)并入防串?dāng)_電容。

　　2.5 軟件部分設(shè)計(jì)

　　結(jié)合計(jì)量芯片的底層驅(qū)動(dòng)程序，分模塊進(jìn)行電表的軟件設(shè)計(jì)。軟件主要由初始化和系統(tǒng)管理主程序，時(shí)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(xiàn)載波、紅外按照用電部門(mén)既定規(guī)約通信。事件告警程序監(jiān)控電表的過(guò)載、竊電和開(kāi)蓋等事件。

　　3 wireless HART及抄表通信
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　　綠色傳感網(wǎng)各個(gè)層次已經(jīng)有眾多的協(xié)議，如Direct
Diffusion，LEACH，S-MAC，ZigBee等等，配合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提供豐富的冗余路徑，可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，增?qiáng)網(wǎng)絡(luò)抵抗環(huán)境干擾的能力。隨著AMI技術(shù)的發(fā)展，綠色傳感網(wǎng)用于智能抄表將是新趨勢(shì)，但是大多數(shù)無(wú)線(xiàn)抄表基于私有的通信協(xié)議，而wirelessHART建立在HART之上，是當(dāng)前工業(yè)界使用最廣泛的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議與ZigBee的比較見(jiàn)表1。wirelessHART具有比ZigBee更高的可靠性、安全性以及更低的設(shè)備功耗，本設(shè)計(jì)中，采集器、集中器均用STM32F103處理器和CC2520收發(fā)機(jī)芯片。集中器則增加GPRS模塊，作為抄表遠(yuǎn)程通信信道。抄表網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示,
每一個(gè)采集器懸掛16個(gè)智能電表單元，同時(shí)具有路由功能。網(wǎng)關(guān)為采集器現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和管理主站提供接口，向下通過(guò)wirelessHART無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)收集采集器的電表數(shù)據(jù)，向上通過(guò)GPRS將數(shù)據(jù)上傳到電力部門(mén)應(yīng)用管理主機(jī)。

　　4 檢測(cè)

　　經(jīng)過(guò)測(cè)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(dá)到0.5級(jí)，Ib =5A,Imax=60A；可以實(shí)現(xiàn)四象限電能計(jì)量，電壓、電流參數(shù)、功率因數(shù)測(cè)量和顯示；快速數(shù)字校準(zhǔn)和單線(xiàn)篡改檢測(cè)；可編程能量脈沖LED輸出；多費(fèi)率、預(yù)付費(fèi)帳戶(hù)管理等功能。交流電源和電池切換，功耗在交流模式時(shí)在3W范圍內(nèi)，電池模式時(shí)小于6.5mA，待機(jī)模式時(shí)小于52μA。將電表通過(guò)RS485接到基于wirelessHART協(xié)議的采集器、集中器無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)抄表，在實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)試，發(fā)射節(jié)點(diǎn)功率控制在50mW之內(nèi)，通信距離在200m內(nèi)，一次性采集成功率和周期性采集成功率均達(dá)到99%以上，電表運(yùn)行正常。

　　5 結(jié)論

　　本文將綠色傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)理念應(yīng)用于智能用電和AMI，設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足要求的智能電表，電表使用STM32處理器，運(yùn)行效率優(yōu)于16位方案，而功耗增加不大。在綠色傳感網(wǎng)絡(luò)抄表實(shí)現(xiàn)上，將智能電表結(jié)合采集器作為傳感網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使用wirelessHART協(xié)議構(gòu)建抄表本地通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了電表的功能及智能抄表系統(tǒng)。通過(guò)協(xié)議與ZigBee協(xié)議相比較，該抄表系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)功耗、可靠性和安全性方面有一定提高。其特點(diǎn)還在于構(gòu)建電表和系統(tǒng)的主要芯片基本在ST公司的產(chǎn)品框架內(nèi)，簡(jiǎn)化了對(duì)硬件維護(hù)升級(jí)。目前該智能電表方案已基本確定，而綠色傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于智能用電的潛力，如進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，提高AMI抗電磁干擾能力和通信效率，改善服務(wù)質(zhì)量等尚有待更深入地挖掘研究。