基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電能計量裝置設(shè)計

郭志成，李曉青，周德東

（蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州，730050）

0 引言

智能電網(wǎng)是在傳統(tǒng)電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用先進(jìn)傳感測量、通信、計算機(jī)等技術(shù)實現(xiàn)電力傳輸網(wǎng)絡(luò)的信息化、互動化、自動化、數(shù)字化[1-2]。電能計量裝置是智能電網(wǎng)中的重要設(shè)備之一，完成基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的采集任務(wù)[3]。以往常采用GPRS通信的方式將計量裝置采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸，實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，以降低人工操作成本。但GPRS通訊因用戶容量小、費(fèi)用高、功耗高、數(shù)據(jù)安全等因素導(dǎo)致其大面積應(yīng)用受到限制。近年來出現(xiàn)了窄帶物聯(lián)網(wǎng)( narrow band internet of things，NB-IoT)技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的重要分支，其可以容納海量節(jié)點、低功耗、低成本、覆蓋范圍廣、具有比GPRS更高效的網(wǎng)絡(luò)支持[4]。針對上述情況，本文基于NB-IoT模塊設(shè)計一種電能計量裝置，使用物聯(lián)網(wǎng)云平臺遠(yuǎn)程監(jiān)測交互數(shù)據(jù)，使用方便簡單，便于電力部門的管理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，以單片機(jī)dsPIC30F6012為控制核心，由電能表芯片ADE9078組成的電能計量電路采集電壓、電流、有功、無功、頻率等電量數(shù)據(jù)，通過SPI接口將采集的數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，通過NB-IOT模塊接入NB-IOT基站，經(jīng)過核心網(wǎng)實現(xiàn)基站與物聯(lián)網(wǎng)云平臺的連接，數(shù)據(jù)到達(dá)云平臺后進(jìn)行進(jìn)一步的挖掘、分析、運(yùn)算與處理，最后由用戶終端設(shè)備顯示其結(jié)果。此外為了滿足裝置在多種場合下的應(yīng)用，還設(shè)計了RS-485接口電路，時鐘電路為系統(tǒng)提供實時時間，所測電量數(shù)據(jù)通過LCD液晶屏顯示，存儲電路用于存儲歷史數(shù)據(jù)，通過按鍵可對記錄進(jìn)行查看。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電能計量電路

系統(tǒng)采用美國ADI公司生產(chǎn)的完全集成、高精度電能計量器件ADE9078,支持電流互感器(CT)和羅氏線圈傳感器進(jìn)行電能計量。器件內(nèi)部集成7個獨立但同步采樣的二階Σ-△ADC,每個ADC都為24位，采樣的電壓、電流信號采用差分輸入，寬輸入范圍±1V，動態(tài)范圍10000:1,能夠測量各相電壓、電流的有效值、總有功功率、無功功率、視在功率、頻率、相位角等電參量數(shù)據(jù)。內(nèi)置一個低噪聲、低漂移帶隙基準(zhǔn)電壓源，保證轉(zhuǎn)換的精度，帶有SPI串行通行接口，直接與單片機(jī)dsPIC30F6012的片內(nèi)SPI接口對接，簡化了電路設(shè)計。其外圍電路如圖2所示。芯片29、30腳接12.288MHz的晶振電路，為片內(nèi)ADC及DSP內(nèi)核提供穩(wěn)定工作所需的時鐘信號；芯片第3、16、25、27管腳所接0.1μF和4.7μF為退耦電容,其作用為去除高頻噪聲；IxP和IxN、VxP和VxN為芯片的電流、電壓轉(zhuǎn)換通道，外置的電流、電壓采樣電路輸出接到芯片相應(yīng)的引腳上，引腳上的輸入信號不得超過0.6 V；ADE9078的SPI接口引腳為：與單片機(jī)的SPI接口相應(yīng)管腳相連，單片機(jī)可通過SPI接口設(shè)置電能表芯片的寄存器及讀取電量數(shù)據(jù)。

圖2 ADE9078外圍電路

電能計量芯片ADE9078的電壓、電流采樣電路如圖3所示。

圖3 電壓、電流采樣電路

電壓采樣使用精密電流型電壓互感器ZMPT101B，額定輸入/輸出電流為2mA/2mA,線性范圍0～1000V,線性度≤0.2%，隔離耐壓4500V,由互感器二次側(cè)的電阻R8將2mA電流信號轉(zhuǎn)換為約0.5V的電壓信號，經(jīng)過電阻R6、C14濾波后送入計量芯片的電壓轉(zhuǎn)換通道，其中二極管D5、D6起保護(hù)作用，防止較高電壓損壞管腳。電流采樣使用精密電流互感器ZMCT118A，額定輸入/輸出電流為5A/2.5mA,變比為2000：1，采用全差分輸入，由電阻R3、R4將電流信號變?yōu)殡妷盒盘枺?jīng)過RC濾波后送入電流通道，二極管同樣起保護(hù)作用。

2.2 NB-IOT通信

系統(tǒng)采用移動公司生產(chǎn)的NB-IOT模組M5311實現(xiàn)窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信，它采用LCC封裝，具有尺寸小、低功耗、高性能的特點，寬電壓供電4.5V～16V，片內(nèi)自帶DC-DC轉(zhuǎn)換輸出3.3V/2A,可以為單片機(jī)等外部系統(tǒng)供電，簡化系統(tǒng)電源設(shè)計，工作溫度-40℃～85℃，支持頻段Band3、Band5及Band8，特別適合智能家居、共享經(jīng)濟(jì)、穿戴設(shè)備、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、市政管理等loT行業(yè)。M5311應(yīng)用硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，電路設(shè)計主要包括串口通信、復(fù)位、晶振、天線接口電路、SIM卡電路以及LED指示等部分，M5311的TXD、RXD管腳與單片機(jī)的URXD、UTXD之間通過URAT串口通信傳輸數(shù)據(jù)。

圖4 NB-IOT通信硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 時鐘電路

由時鐘芯片PCF8563為系統(tǒng)提供年、月、日、時、分、秒等實時時間，其電路圖如圖5所示，芯片可在寬電壓范圍1.0～5.5V下工作，采用雙電源供電，正常情況下由+3.3V供電，掉電后由3.6V電池組供電，其SCK、SDA為I2C總線接口管腳，與單片機(jī)對應(yīng)管腳相連用于時鐘芯片內(nèi)部寄存器設(shè)置及讀取實時時間，晶振為32768Hz，為芯片提供秒時鐘信號。

圖5 PCF8563時鐘電路

2.4 其他電路

RS-485通信接口電路采用sipex公司生產(chǎn)的SP485R芯片進(jìn)行設(shè)計，相比于通用的485芯片包含更高的ESD保護(hù)和高接收器輸入阻抗，一條傳輸線上可掛接400個SP485R芯片，而不會引起信號的衰減。顯示采用LCD12864液晶顯示，自帶中文字庫，三線串口方式傳輸數(shù)據(jù)，簡化單片機(jī)外圍電路設(shè)計。單片機(jī)dsPIC30F6012的B口具有電平變化中斷功能，可以此來設(shè)計4個獨立按鍵，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及記錄查詢。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，主要包括單片機(jī)I/O口、中斷、定時器、SPI接口、串行通信等的設(shè)置，單片機(jī)外圍設(shè)備例如電能表芯片ADE9078、LCD顯示、時鐘芯片PCF8563的配置，以及通過AT指令實現(xiàn)NB-IOT模塊的電信頻段、自動找網(wǎng)、工作模式等的設(shè)置。NB-IOT模塊聯(lián)網(wǎng)成功后，即通過電能表芯片ADE9078采集電量數(shù)據(jù)，由PCF8563獲取相對應(yīng)的時間信息，單片機(jī)獲取這些信息后進(jìn)行存儲、顯示，并對電量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，是否數(shù)據(jù)異常。數(shù)據(jù)可借助NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)、RS-485以無線、有線的方式發(fā)送出去，數(shù)據(jù)發(fā)送分為定時、異常兩種發(fā)送模式。

4 結(jié)束語

本文基于NB-IOT模塊設(shè)計了一種物聯(lián)網(wǎng)電能計量裝置，電路采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，采集的電量數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，能夠滿足智能電網(wǎng)對電能計量裝置的要求，且具有多種通信接口以滿足不同場合的應(yīng)用，以解決目前電能計量裝置在數(shù)據(jù)通信、功耗、操作、成本等方面存在的問題。