無線傳感器網絡的能耗檢測儀的設計

付蔚方健

(重慶郵電大學工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶 400065)

0 引言

無線傳感器網絡廣泛應用于工業、農業、軍事、環境、醫療、交通等領域。2003年，美國《技術評論》將無線網絡技術列為未來改變人類生活的十大技術之首［1］。無線傳感器網絡［2］是傳感器節點以自組織和多跳形式構成的自組織分布式網絡系統。網絡中的每個傳感器都可以感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內感知對象的監測信息，并通過無線通信網絡將所感知信息傳送到用戶終端，使用戶完全掌握監測區域的情況并做出反應。智能家居能耗監控技術與無線網絡技術相結合，能檢測單個電器的能耗，從而為用戶提供更明細的電能消耗情況，實現節能減排［3］。該技術在給人們帶來經濟效益的同時，也為智能家居物聯網帶來更廣闊的發展空間。

1 無線能耗檢測儀設計方案

根據無線能耗檢測儀的需求分析，從低成本、低功耗、高可靠性角度［4］出發，設計了無線能耗檢測儀方案，如圖1所示。

圖1 無線能耗檢測儀方案圖Fig.1 Scheme of the wireless energy consumption detector

本方案選用電能計量芯片和電壓電流采集電路的形式，把電能脈沖信號傳送給主處理器芯片進行處理計算，同時把得到的能耗數據發送給無線射頻芯片進行轉發。電源管理電路直接由220 VAC電源供電，取得的電壓經過轉換后為各部分電路提供電源。

2 無線能耗檢測儀硬件設計

本設計選用ATmega64作為處理芯片，其工作時鐘頻率為16 MHz。無線收發芯片選用CC2430，其自身集成了外圍電路無線收發芯片，在簡化硬件電路的同時，其高可靠性也能滿足家居環境組網應用，并且支持 IEEE 802.15.4e［5］協議棧的移植。計量芯片的選擇是無線能耗檢測儀的關鍵，其性能的優劣直接影響能耗信息的準確性。本設計選用ADI公司最近推出的低功耗、高性能的ADE77XX系列芯片ADE7755。該芯片能把電量測量內核與微處理器、片內閃存、LCD驅動器、實時時鐘和智能電池管理電路結合在一起，允許電能表保持時間、檢測溫度變化、讀取LCD數據并完成其他功能。選擇ADE7755作為計量芯片［6］將大大簡化系統的設計，提高計量的準確性。ADE7755具有高精度、高性能、輸出方式靈活、低功耗、低成本等優點，它在單相電能表中應用廣泛。

無線能耗檢測儀由備電壓電流采集電路、LCD顯示電路、電源轉換電路、鍵盤掃描電路以及開關控制電路等組成，其總體硬件設計方案如圖2所示。

圖2 無線能耗檢測儀硬件框圖Fig.2 Block diagram of the hardware of wireless energy consumption detector

圖2中，計量芯片ADE7755與不同量程的電壓電流傳感器直接相連，這既簡化了接口設計，又提高了功率測量的精確度和穩定性。由于電路輸出為脈沖信號，所以CPU通過中斷引腳可以方便準確地進行電量的累計。當有負載時，瞬時功率信號CF輸出脈沖信號給微控制器ATmega64，通過對CF的計數，可以得到累計的電量信息;然后ATmega64內部采用功率算法，通過內部定時器設定積分時間對CF進行計數;接著除以積分時間得到瞬時有功功率，并且根據設定的電價，得到電費等數據信息;最后，ATmega64將電器的瞬時有功功率值、累計電量、電費等數字信息通過串口發送給CC2430，CC2430通過無線路由將數據發送給智能家庭網關［7－10］，從而實現底層電器能耗信息的無線采集。

下面對幾個重要的電路進行詳細描述。

2.1 能耗檢測電路

能耗監測電路是無線能耗檢測儀硬件設計的關鍵，因為電量計量的準確與否直接影響能耗檢測儀的準確性和穩定性。能耗檢測電路原理圖如圖3所示。能耗檢測電路主要由電壓檢測電路、電流檢測電路和ADE7755外圍電路組成。負載電流經過分流器再通過濾波電路后轉換成合適的電壓信號。轉換后的電壓被送入到電能計量芯片ADE7755的電流通道，即V1P和V1N端;而220 V相電壓則通過校驗衰減網絡降壓后，再通過濾波電路送入電能計量芯片ADE7755的電壓通道，即V2P和V2N端。電流和電壓經過ADE7755轉換成瞬時有功功率，以高頻脈沖形式從CF端輸出，然后接入到ATmage64的外部中斷信號輸入端。主控芯片通過對CF脈沖信號的定時計算和計數處理，得到瞬時有功功率和累計電量值。

圖3 能耗檢測電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of energy consumption detection circuit

圖 3 中，F1為分流器;R1、R2為采樣電阻;C1、C2為采樣電容，一般選取為27 nF和33 nF，它們為電流采樣通道提供采樣電壓信號，采樣電壓信號的大小由分流器的阻值和流過它的電流決定。電流采樣通道采用完全差動輸入，V1P為正輸入端，V1N為負輸入端。根據ADE7755芯片技術指標可知，電流采樣通道最大差動峰值電壓應小于470 mV。電流采樣通道有一個可編程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)，其增益可由 ADE7755的 G1和 G0來選擇。

ADE7755電流通道增益選擇如表1所示，當使用分流器采樣時，G1、G0都接高電平，增益選擇16，通過分流器的峰值電壓為±30 mV。考慮到常用家庭電器的功耗范圍為100～4 000 W，所以在能耗檢測儀硬件設計時，按照標定電流為5(20)A(5 A為負載電流，20 A為最大額定電流)的規格，分流器阻值選擇為500 μΩ，其分流器的類型為錳銅分流器。這樣當流過分流器的電流為最大電流20 A時，其采樣電壓為500 μΩ×20 A=10 mV，該值不超過峰值電壓半滿度值，所以選用 500 μΩ錳銅分流器，令G1=1、G0=1時，理論標定電流規格為5(20)A。

表1 ADE7755電流通道增益選擇Tab.1 Gain selection of ADE7755 current channel

ADE7755電壓輸入通道(V2N，V2P)也為差分電路，V2N引腳連接到電阻分壓電路的分壓點，V2P接地。電壓輸入通道的采樣信號是通過衰減線電壓得到的，其中 R6～R14為校驗衰減網絡，通過短接跳線J1～J9可將采樣信號調節到需要的采樣值。本文設計的能耗檢測儀在基本電流為5 A時，電壓采樣值為174.2 mV。

為了保證分流器的容差和片內基準源的誤差＜8%，衰減校驗網絡的檢驗范圍應≥30%。根據前文可知，電壓調節范圍為169.8～250 mV，完全滿足調節的需要。這個衰減網絡的－3 dB頻率是由R4和C3決定的，R19、R23、R24確保了這一頻率，即使全部跳線都接通，R19、R23、R24仍遠遠大于 R4，R4和 C3的選取要與電流采樣通道的R1、C1相匹配，這樣才能保證兩個通道的相位進行合適的匹配，以消除因相位失調帶來的誤差影響。

2.2 無線數據收發電路

由于CC2430采用無線SOC設計，其內部已集成了大量電路，因此采用較少的外圍電路即可實現信號的收發功能，CC2430外圍電路原理圖如圖4所示。

圖4 CC2430外圍電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of CC2430 peripheral circuit

圖4中，Y2為32 MHz晶振，采用1個32 MHz的石英諧振器和2個電容(C3和C4)構成一個32 MHz的晶振電路;Y1為32.768 kHz晶振，采用1 個32.768 kHz的石英諧振器和2個電容(C1和C2)構成一個32.768 kHz的晶振電路。C5為5.6 pF的電容，電路中的非平衡變壓電路由電容C5、電感L1、L2、L3以及一個PCB微波傳輸線組成。整個結構滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。

另外，在電壓腳和地腳都添加了濾波電容，用于確保芯片工作的穩定性。

3 無線能耗檢測儀軟件設計

在無線能耗檢測儀底層驅動程序設計中，能耗采集模塊和無線數據收發模塊的設計是重點。

系統首先進行各參數的初始化，包括中斷向量的設置、ADE7755使能端口的設置、定時器以及計數器的設置，以保證系統對中斷的響應處理和功能定時處理。

主程序采用輪詢的方式，通過檢測CF脈沖來得到能耗數據，并根據按鍵功能的標志位判斷頁碼，把數據送到液晶顯示模塊進行顯示。另外，系統通過串口數據收發模塊和定時器將耗數據定時發送給CC2430的數據轉發模塊，并且把能耗數據定時保存在MCU的EEPROM，以避免數據丟失。在中斷響應中，串口數據收發模塊在接收到來自CC2430的轉發命令數據時，會執行響應的端口操作。

無線能耗檢測儀軟件流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of the main program

4 無線能耗檢測儀測試

4.1 電磁兼容測試

根據標準GB/T 17215.211-2006《交流電測量設備通用要求、試驗和試驗條件》［9］中第7.5條款提出的電磁兼容測試項目，對無線能耗檢測儀進行射頻電磁場抗擾度試驗，以驗證其可靠性，射頻干擾等級3垂直極化測試曲線如圖6所示。

圖6 射頻干擾等級3垂直極化測試曲線Fig.6 Radio frequency interference level 3 vertical polarization test curves

從圖6可以看出，在射頻電磁場抗擾度測試中，功率放大器提供的實際場強大于設定的10 V/m。在這種情況下，無線能耗檢測儀仍能正常工作，所以其射頻電磁場輻射抗擾度電磁兼容測試滿足設計與應用要求。

4.2 準確性測試

本文設計的能耗檢測儀選用WF-D01A型單相電能校驗表作為標準表，其技術指標符合GB/T 1725.321-2008，準確精度為1 級［10］，電流范圍為1.5 ～120 A、參比電壓為220 VAC/50 Hz。根據JJG 596-1999《電子式電能表檢定規程》［11］中第3.5條款，能耗檢測儀應屬于安裝式電能表。在電路設計時，通過ADE7755電流通道的分流器的選定，計算出參比電流Ib(Imax)為5(20)A。按照檢定規程規定，安裝式電能表的負載電流可為0.5Ib、Ib、Imax。由于缺少供電源，所以選用負載電流為2.3 A電飯煲作為負載，通過標準表法計算相對誤差來檢定能耗檢測儀的準確度，0.5Ib相對誤差測試結果如表2所示。

表2 0.5Ib相對誤差測試結果Tab.2 The result of 0.5Ibrelative error test

從表2可知，在負載電流約為0.5Ib的情況下，對能耗檢測儀的相對功率誤差記錄50次，相對電量誤差記錄4次、每次測量24 h，然后讀取其最大誤差和最小誤差，確定無線能耗檢測儀的測試功率相對誤差范圍為0.11% ～0.17%，電量相對誤差范圍為0.08% ～0.16%。

根據JJG 596-1999《電子式電能表檢定規程》［11］中第2條款，在功率因數為1的情況下，采用準確度等級為0.1的標準表，對0.5級、1級和2級被檢表的誤差評定范圍分別為±0.1%、±0.2%、±0.3%。由于在實際測試中，采用準確度為1級的標準表，根據誤差結果，將其放大10倍，粗略估計被檢表準確度等級為2級。為完善準確性測試工作，由重慶計量質量檢測研究院采用準確度為0.05級的三相多功能電能表檢定裝置進行第三方測試，測試結果為電能誤差國家2級，功率誤差國家2級。

4.3 通信距離測試

在本樣機測試中，主要針對無線能耗檢測儀在有天線增益的情況下進行。無線能耗檢測儀每1 min會定時發出無線能耗數據，在1 h內通過CC2430抓包器來獲取無線能耗數據抓包率，得到無線通信距離測試結果。通信距離測試示意圖如圖7所示，通信距離丟包率測試對比如表3所示。

圖7 通信距離測試示意圖Fig.7 Sketch map of communication distance test

表3 通信距離丟包率測試對比Tab.3 The comparison of packet loss rates of communication distance

4.4 射頻穿透性測試

射頻穿透性測試示意圖如圖8所示，通過定時1 h，分別測量無線能耗檢測儀與無線路由之間隔0道墻、1道墻、2道墻(墻厚20 cm)時的抓包率，通過結果分析得到設備的射頻穿透性，穿透性測試丟包率對比如表4所示。

圖8 射頻穿透性測試示意圖Fig.8 Sketch map of the RF penetrability test

表4 穿透性測試丟包率對比Tab.4 The comparison of packet loss rates of penetrability tests

5 結束語

本文在已有的智能家居平臺下，通過對家用電器功耗采集理論以及相關軟硬件進行的研究，同時結合IEEE 802.15.4e網絡協議，按照產品設計原則，研究設計了無線能耗檢測儀。該檢測儀用以實現家居電器功耗信息的采集和遠程傳送，可通過多種終端設備對家用電器功耗信息進行監控。在實際的系統長時間運行過程中，各種功能和性能都處于正常的水平，但對于能耗數據的準確性、無線傳輸和數據應用，從物聯網長遠的發展角度來說，還需要在能耗數據對設備和系統不斷完善和優化［11－14］。采集精度、外殼工藝、數據信息種類、準確誤差測量等方面需要進一步改進。

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