基于Si4438的無線智能電表設計

高倩+陳桂華

摘 要： 采用專門針對我國智能電表推出的SUB?GHz無線收發器Si4438作為無線傳輸模塊，AT89C51作為微處理器，在其上植入μC/OS?Ⅱ實時操作系統，電能計量使用高性能ADE7758芯片，設計并實現了一款高性能無線智能電表。該系統提供電能質量的監視、提供雙向計量、多參數電量實時采集和控制、存儲，支持雙向通信、遠程時間同步，能根據進行遠程編程設定以及軟件升級。實驗證明，該智能電表滿足國家標準中規定的0.2 s要求，具有功能完備、運行穩定、精度高和實時性好等優點。

關鍵詞： AT89C51； 智能電表； Si4438； 實時操作系統μC/OS?Ⅱ

中圖分類號： TP919.72?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0105?04

0 引 言

隨著我國智能電網的快速發展，其中用于居民和企業的智能電表是電網改造的關鍵所在。無線智能電表是智能電表發展的主要趨勢。智能電網高級量測體系AMI（Advanced Metering Infrastructure）要求智能電表滿足以下功能：能支持具有分布式發電的用戶；電量能夠實時采集和控制；支持遠程抄表；支持遠程編程設定和軟件升級；能提供電能質量的監測；提供斷電報警以及供電信息恢復處理等[1]。成本和性能是智能電表推廣應用的關鍵因素，目前，由于GSM/GPRS無線抄表需要付費且工作頻段擁擠而實時性差，基于各類高性能嵌入式系統如DSP，ARM，SoC的智能電表成本較高，因此，采用低成本高性能單片機與免費無線頻段的智能電表是低成本方案的首選[2?7]。本系統選用AT89C51作為主控制器，采用嵌入式操作系統μC/OS?Ⅱ，電能計量采用高性能ADE7758，無線傳輸模塊采用無線收發器Si4438，本方案是低成本高性能無線智能電表的可行方案。

1 系統整體方案設計

根據AMI對智能電表系統功能的主要要求確定系統整體方案，按功能分為3個單元：電能采集單元、信號處理單元、通信單元。多功能電能表的系統框圖如圖1所示。

圖1 中，測量部分將測量數據（電流、電壓、功率等）送給控制單元，單片機根據時段設置，對無功、有功、費率、電流、電壓等進行計算，并驅動顯示器件顯示有關信息。通過接口電路與外部進行數據傳輸和通信。選用AT89C51單片機作為系統主控單元，它具有4 KB可編程存儲器，2個定時器和計數器，32個I/O口，并設有掉電模式、看門狗等資源。

圖1 多功能電能表系統框圖

主控單元設計可滿足對正反向有功電能的平、峰、谷和總電量的計量，可進行手持終端抄表，是符合DL/T645?97要求的ZigBee無線RS 485遠程抄表；可分別計量、顯示和存儲多時段，可跨零點、電量存儲、提供臨時凍結電量等[8]。

本設計采用的ADE7758是先進的智能電量計量芯片，由此構建了一個低成本、高精度的電能測量解決方案[9]。該芯片內部集成的電路可測量有功功率、無功功率和視在功率等。

綜合以上論述，此方案具有性能高、靈活性高、價格廉等優點，已成為智能電表控制系統應用的一種很好的選擇。

1.1 系統功能設計

系統設計根據AMI對智能電度表的功能要求，主要有以下幾個方面：

1.1.1 顯示及鍵盤功能

采用LCD顯示屏，顯示功能主要有上電顯示（全亮數秒）；正常工作時的循環顯示，顯示內容包括：時鐘、日期；總、尖、峰、平、谷的循環顯示。系統設置4個按鍵，其功能分別為：啟動（模式）鍵、增大、減小、確認鍵（長按2 s停止）。

1.1.2 存儲及擴展

智能電表設計2級存儲系統，以第二級為主。第一級存儲系統由CPU的程序存儲器FLASH ROM；第二級存儲系統采用外擴展FLASH ROM實現。

1.1.3 抄表功能

數據通信采用無線RS 485接口，實現遠程自動抄表。可通過手持終端抄讀電表條碼號、當前電量數據、保存的任意月份的電量和歷史數據等。

1.1.4 通信功能

智能電度表需要具有多種數據通信功能接口。通信距離一般不小于1 200 m；RS 485接口符合DL/T645?97通信規程要求，可與目前市場上主流的手持抄表終端設備通過紅外通信接口進行相互通信。采用標準紅外RS 232通信接口，通信距離一般不小于4 m，符合DL/T645?97通信規程要求，通信速率為1 200 b/s；紅外波長范圍為900～1 000 nm；主動與被動抄表可通過ZigBee或藍牙射頻接口進行，無線抄表采用ISM免費頻段實現，在被動抄表方式下，可實現單播、組播、廣播等通信方式。

1.1.5 計費功能

計費功能可實現對尖、峰、平、谷4種費率的計費，智能電表采用實時時鐘電路。內部時鐘具有日歷計時，每日任意時段的實際時間與預置時間之差不超過1 s。采用雙鋰電電池，電池最大容量為1 200 mA·h，用于保持時鐘和停電顯示。

1.1.6 編程功能

編程可以實現智能電表應用的靈活性，可以采用紅外或射頻形式RS 232/RS 485通信接口對電度表進行編程控制。可編程項目包括時間、日期設置，時段和費率設置，顯示項目及顯示內容設置等。這些編程內容可單獨進行設定，或通過“綜合設定”功能進行一次性完成設定。

1.2 工作原理

工作時，傳感器將6個電壓信號送入ADE7758，經過片內PGA1/PGA2可編程增益放大器放大后進行模/數ADC變換為相應的數字信號，其中的電流信號經高通濾波器濾除直流分量，再將輸出信號進行數字積分，接著與經相位調整后的電壓量相乘得到瞬時功率，最后通過低通濾波器后得到瞬時有功功率信號；總的三相瞬時有功功率經芯片的DOUT 引腳輸出。視在功率和無功功率的計算與此相似。MCU通過脈沖及串行通信接口接收有功功率數據，并根據預先設置的相應時段進行處理，將數據和輸出結果實時顯示出來，并保存到閃存中；同時，也可通過串口、紅外或ZigBee模塊，與便攜終端或其他數據平臺進行通信。

1.3 Si4438無線單元

無線射頻模塊選用了Silicon Labs公司生產的Si4438。提供了SUB?GHz無線解決方案，可針對我國智能電表市場，滿足我國目前智能電表市場的要求。支持調頻和采用分集式天線，可增強無線性能和延長傳輸距離。Si4388無線模塊內部結構如圖2所示。

Si4438收發器采用分集式天線和高效功率放大器，可提高系統鏈路預算，為智能電表延長傳輸距離，并且提供可靠的通信鏈路。Si4438收發器片上集成功率放大器、低噪聲放大器和表面聲波濾波器，提高性能的同時降低了成本，使其在惡劣的環境下也可有效傳輸。集成的溫度傳感器、GPIO和上電復位電路進一步降低了系統成本，縮小電路板尺寸。

圖2 Si4388無線模塊內部結構圖

ZigBee技術可組建無線個人局域網，它具有組網能力強、低復雜度、低速率、節能可靠等諸多優點。ZigBee協議采用IEEE 802.15.4標準的物理層和鏈路層，還包含了網絡層、安全層和應用層。Si4438內部設有數據的無線收發2個部分。數據發送時，每個模塊上設有GPIO口，單片機通過RS 485串口接收其他數據平臺發送來的數據，再控制ZigBee芯片Si4438進行直接序列擴頻，最后由天線發射到空中；接收數據時，Si4438將天線接收的數據在內部解擴后，單片機再把數據傳送到其他數據平臺上。

1.4 系統計量依據的電力參數數學模型

電網所供瞬時電力是各諧波分量之和，各個分量的瞬時電壓、電流可通過傅里葉變換表示為：

[U（t）=U0+2k=0∞Uksin（kωt+?k）] （1）

[I（t）=I0+2k=0∞Iksin（kωt+φk）] （2）

式中：[U（t）]為瞬時電壓；[I（t）]為瞬時電流；[U0]為電壓直流成分；[Uk]為k次諧波電壓有效值；[?k]為k次諧波電壓相位；[φk]為k次諧波電流相位。

系統計量無功功率Q和有功功率P及功率因數[cos ?]的離散化計算表達式如下所示：

[Q=1Km=0K-1u（m+K4）i（m）] （3）

[P=1Km=0K-1u（m）?i（m）] （4）

[cos ?=PP2+Q2] （5）

式中：[u（m），i（m）]分別為電壓電流采樣信號經抽樣離散化得到的數據序列；K為一個周期內的采樣頻率。

2 系統軟件設計

2.1 主程序設計

系統主程序包含初始化、入網處理、掉電處理、數據傳輸等事件處理，系統主流程圖如圖3所示。系統上電后首先進行初始化，主程序判斷電網電壓狀態，進行上電或掉電處理。主循環要進行以下流程：需量計量、費率處理、數據結算、事件記錄和液晶顯示等。

圖3 系統主程序流程圖

2.2 ZigBee協議

系統采用ZigBee 2007規范的Z?Stack無線通信協議，協議層自下而上依次為物理層、MAC層、網絡層、ZDO層、AF應用框架層。Z?Stack協議棧中各層均可作為—個任務獨立運行[10]。協議棧結構圖如圖4所示。

圖4 ZigBee協議層

ZigBee協議實現采用μC/OS?Ⅱ。μC/OS?Ⅱ是一個完整的、可移植、可固化、小巧的，可裁剪的占先式實時多任務內核，源代碼公開降低了開發成本。μC/OS?Ⅱ實現的對應事件從上到下依次為：AF（MeterAPP_ProcessEvent）、ZDO（ZDApp_event_loop， APS_event_loop loop）、網絡層（nwk_event_loop）、MAC（MacEvent_loop）、物理層（Hal_ProcessEvent）。對于嵌入式系統開發步驟依次為：

（1） 創建系統開發環境；

（2） 生成交叉編譯環境；

（3） 加載引導程序；

（4） 內核裁剪并移植；

（5） 制作根文件系統[11]。

3 系統實驗

系統實驗框圖如圖5所示。

圖5 系統實驗框圖

圖5中，三相程控精密測試電源采用HT3050，可輸出工頻50 Hz，相位及幅度可調的高精度電壓或電流。電壓選220 V檔，電流選10 A檔，電流大小選擇值依次分別為0.1[Ib]，0.5[Ib]，[Ib]，[Imax]。疊加10次諧波分量，基本實驗結果見表1。

表1 智能電表參數測試誤差 %

從表1中可以看出各個參數的最大誤差值。說明了所設計的電表準確度等級已達到0.2級電表的要求，達到了實際使用的精度。

4 結 語

采用專門適合我國智能電表需要的高性價比低功耗Si4438無線收發模塊結合高性價比的單片機AT89C51及電能計量芯片ADE7758設計實現的無線智能電度表，功能上符合AMI的要求且滿足DL/T645?1997規程。經實驗測試：系統具有精度高、實時性好、運行穩定、功能完善等特點，是一套功能多、性能好、成本低的無線智能電表解決方案，對于促進智能電度表的推廣應用具有重要價值。

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