基于Wi-SUN 無線通信技術的碳采集計量系統的設計

陳建強，程力杰，張 贏

（安徽南瑞中天電力電子有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

電力工業作為我國的基礎民生保障行業，在碳排放方面占比較大。在2018 年國際能源署發布的數據中顯示，我國電力和供熱行業的碳排放約占51%，交通運輸、民生行業等共占21%，其他工業占28%[1-4]。

近年來，國家電網公司為實現“碳達峰、碳中和”目標，率先發布國網“碳行動”方案，并在國家電網《關于促進能源電力消費側“碳達峰、碳中和”工作的指導意見》（〔2021〕196 號）中指出，實現“碳達峰、碳中和”目標，一方面需要能源電力從高碳向低碳、從以化石能源為主向以清潔能源為主轉變，對能源電力消費側從電氣化替代、能效提升、需求響應三個方面加強建設；另一方面還需要對碳排放進行精準計量，才可以對客戶的碳排放進行精準監測，對“碳達峰”和“碳中和”的實施措施進行精準評價[5-7]。根據我國的“雙碳”政策，對電力工業生產過程中碳排放的監測和計量是勢在必行的。

目前，我國在碳排放的監測與計量領域暫時沒有明確的標準和體系。為了響應市場需求，也為積極響應國家電網公司的號召，本公司依托于自身現有平臺，研發基于Wi-SUN無線通信技術的碳采集計量系統，滿足國家電網對數據統計常態化的要求，完善能耗和碳排放監測體系，對于“雙碳”行動的開展具有重要的意義。

1 系統方案

本文研究了基于Wi-SUN 無線通信技術[8-9]的碳采集計量系統實現方法，研制出一套集碳排放監測、采集、計量功能于一身的系統，并開展定點應用。系統架構示意圖如圖1所示。碳采集器通過Wi-SUN 與電力碳計量檢測分析系統連接，碳傳感器提供RS 485 與碳采集器連接，碳采集器之間通過Wi-SUN 連接。該系統以Wi-SUN 無線通信模塊為基礎，與上層應用完成mesh 組網，深度融合各類碳傳感器，依托碳傳感器的監測功能，完成碳排放數據的初步提取，隨后經過碳采集器內置的算法，對數據進行處理，實現碳排放數據的轉換，并依托其無線通信功能，將采集計量到的數據上傳到上層應用之中。

圖1 系統架構示意圖

2 硬件設計

基于“模塊化”和“平臺化”的設計思路，該設計采用了標準化原理圖和印制版圖設計的方式，其硬件結構如圖2所示，主要包含MCU（型號VC7300B）、碳傳感器采集模塊、Wi-SUN 模塊、RS 485 通信模塊、512 KB 鐵電存儲器、RTC時鐘芯片、SGM706 看門狗芯片。

圖2 硬件架構

2.1 碳采集模塊

碳采集模塊包括碳傳感器和碳采集器。碳傳感器選用專業傳感器探頭作為核心監測器件，可對水、熱、電、溫濕度、噪聲，以及二氧化碳、二氧化硫、氟利昂等十數種溫室氣體進行監測。其工作電源為12 V，采用RS 485 作為數據傳輸通道，以外接的方式與碳采集器連接，并進行碳排放數據的傳輸。該模塊具有精度高、采集范圍大的特點。

2.2 Wi-SUN 無線通信模塊

Wi-SUN 無線通信模塊采用LSD4RF 系列芯片作為通信主芯片[10-11]。使用Node 端模組的APP UART 接口與本地MCU 接口交互，同時附帶一個調試串口，用于開發調試工作。該模塊集成安裝在碳采集器的內部，通過排線方式連接。碳采集器為通信模塊提供12 V 直流工作電源，Wi-SUN 無線通信模塊接口硬件設計如圖3 所示。

圖3 Wi-SUN 無線通信模塊接口

2.3 碳采集器采集接口設計

設計一路串口轉外部RS 485 通信，碳采集器通過RS 485 可以采集碳傳感器監測到的碳排放數據。設計防電磁干擾和防雷擊的ESD 保護電路，并采用電磁隔離的保護措施，使RS 485 電路與主MCU 完全隔離開來，極大地增強了電路的穩定性和安全性。

2.4 存儲設計

在儲存方面，設計了長壽命的512 KB 鐵電儲存器，用于存儲mesh 組網基本配置參數以及采集到的碳排放數據。

3 軟件設計

軟件開發以模組內IPv6 無線通信協議棧為基礎。編譯環境基于GCC 編譯工具鏈，調試環境基于shell 軟件工具的日志信息打印查看。此項目針對Wi-SUN 無線通信的邊緣路由端和節點端分別有兩個獨立的工程環境。前者負責網絡的NMS 管理服務，后者負責具體的數據采集任務。

3.1 驅動層軟件功能設計

驅動層兼顧邊緣路由端工程和節點采集端工程通用的設計理念，采用模塊化設計和接口封裝出口統一的軟件框架。本方案底層驅動分為通用IO 驅動、NV 非易失性存儲驅動、UART 口驅動、網絡UDP 驅動等。每種驅動分別建立一個C文件和一個H 文件，便于統一管理，且都具有初始化、讀、寫、控制功能。

3.2 協議層軟件功能設計

軟件功能主要是通信及協議處理。邊緣路由主節點和上層間通過USB 虛擬出來的串口作為物理通道。為了適配微功率無線組網中的小無線通信，本方案的Wi-SUN 無線通信采用Q/GDW 1376.2 通信協議。采集器上搭載的葉子從節點與邊緣路由節點之間通過無線射頻傳輸作為物理通道；使用面向對象的用電信息數據交換協議DLT698.45，用于采集終端、電表之間的通信數據交換以及水、氣、熱等表計的數據采集。針對NODE 節點采集器增加了AT 指令集協議，方便配置、查看、操作相關功能，見表1 所列。

表1 AT 指令集協議

3.3 網絡服務層軟件功能設計

網絡服務的功能重點在BR 邊緣路由主節點的中繼轉發模塊上。BR 模組主要功能為無線網絡管理、路由信息管理、從設備在線狀態檢測等，并提供數據轉發、設備狀態上報等接口功能。

無線網絡管理功能：包括自組網功能和網絡自我修復功能。模組作為邊緣主節點，管理從節點的組網對接以及無線數據通信功能。

路由信息管理功能：可管理任一入網從節點的網絡拓撲路線信息，便于了解集散分部的從節點在通信過程中的網絡變換（入網節點中實時尋找最優化的無線通信鏈路），也方便在使用過程中進行維護。

設備在線狀態檢測功能：可及時向主站上報設備入網和離網的狀態信息，以便主站注冊和動態更新采集設備。

協議轉換和數據轉發功能：將碳采集器主體部分需要轉發給從節點模塊的數據移交給BR 模組，BR 模組根據移交數據中的MAC 地址判別出主站定點發送的從節點，提取轉發主體數據后，通過無線網絡轉發給采集器。

3.4 應用層軟件功能設計

軟件系統使用Contiki 操作系統，該系統資源占用極低，適合在存儲資源緊張的微控制器中使用。Contiki 由幾個獨立的模塊組成，包括類似線程的多任務事件驅動庫、uIP 協議棧、無線傳感網絡協議等，結合Wi-SUN 無線通信技術進行擴展，便于各種通信任務的處理。

本系統屬于分散式系統，數據采集器被分布在需要的場地中進行相關數據采集，采集器種類各不相同。本方案對所有采集器燒錄同一版程序，通過出廠配置定義出采集器的設備類型，根據不同類型查找對應的采集程序。一種設備類型對應傳感器設備在線檢測方法、讀取傳感器設備數據方法以及傳感器設備數據回傳后的處理流程。采集過程設定為每隔1 s 進行一次數據采集，將獲得的數據進行計算存儲。采集器的軟件流程如圖4 所示。

圖4 采集器的軟件流程

本采集器的軟件設計具備較強的可擴展性，如需增加采集設備，只需在傳感器數據獲取的方法表中添加對應的采集流程即可。

3.5 存儲功能設計

本系統中包含兩塊系統存儲區域：一是模組本身的NV非易失性存儲器，該存儲器速度較快；二是通過I2C 接口連接的外部鐵電存儲器，用于存儲配置參數信息和網絡數據信息，該存儲器具備防掉電功能。另外，為保證存儲的可靠性，本系統將兩塊存儲區域互為備份。

4 測試驗證

為了驗證基于Wi-SUN 無線通信技術的碳采集計量系統設計的性能，開展了兩個方面的測試驗證：碳采集功能驗證和碳采集器Wi-SUN 自組網驗證。實驗驗證結果表明，本設計在功能和性能上滿足設計目標和要求，部分性能超出既定的目標要求。

4.1 碳采集功能驗證

搭建測試環境如圖5 所示，使用12 V 電源為設計的碳采集器樣機和碳傳感器樣機供電，將二者通過RS 485 連接構成系統。待系統正常工作后，通過碳采集器預留的調試串口來監測采集的數據，進行測試。

圖5 測試環境

將碳傳感器通過USB 轉TTL 正確連接至電腦，可以看到正確的COM 口，打開串口助手監測工具，根據采集器所設置的波特率等參數正確建立連接。使用AT 指令查看具體的碳采集數據，采集測試結果見表2 所列，各項測試均滿足預期要求。

表2 碳采集功能測試

4.2 碳采集器Wi-SUN 自組網驗證

搭建測試環境，將各個碳采集器和傳感器正確連接并供電，分散放置于樓層的各個辦公室內。使用網關作為上層設備，準備組網并接收碳采集器的組網信息和上傳數據，并放置于樓層中心。待系統正常工作后，使用MobarXterm 監測軟件進行組網測試。

將網關通過USB 轉TTL 正確連接電腦，打開監測軟件MobarXterm，根據網關的波特率等參數使用串口模式建立連接。使用AT 指令來查看各個碳采集器與網關的自組網數據，具體測試結果見表3 所列。

表3 碳采集器Wi-SUN 自組網測試

5 結 語

本設計實現了基于Wi-SUN 無線通信技術的碳采集計量系統，可廣泛用于電力生產過程中的碳排放監測，彌補了當前我國電力行業碳排放控制能力的不足。同時本系統的設計也響應了國家的低碳政策，在一定程度上也為國家電力行業實現“碳達峰、碳中和”的目標奠定了技術基礎，為溫室氣體排放的監測提供了有效的手段，有利于推進實現減污降碳的協同控制和生態環境的改善，推進國家生態文明建設。