基于無線傳感器網絡的光伏逆變器電壓實時監測系統設計

林倩 汪玫倩

摘要：針對現有電能采集系統存在測量精度不夠、軟硬件設計復雜、環境受限和成本高等問題，設計了一種基于無線傳感器網絡的光伏逆變器電壓實時監測系統，實現電網電壓的多節點實時傳輸、測量和顯示。系統以STM32為主控芯片，結合電能計量芯片和Zigbee技術實現電網電壓信號的實時傳輸和監測，并通過上位機系統實現了多節點電壓的實時采集、顯示和數據處理。測試結果表明，各節點采集獲得的基波三相電壓均達到100 V以上，具有實時性、準確性和穩定性。

關鍵詞：無線傳感器網絡；STM32；電能計量芯片；電壓采集系統

中圖分類號：

TN710-34

文獻標志碼：A

目前，電力電子和計算機的迅猛發展催生了各種多樣化的供電裝置。非線性供電裝置的廣泛應用導致電網中電能品質顯著下降，使供電裝置的測量與跟蹤變得更加復雜[1]。許多研究者對電力采集系統進行了深入探討，如基于ARM+DSP的電能質量數據采集系統，具有穩定可靠、擴展靈活、友好的人機交互界面等特點[2]，然而，測量波動與閃變時的精度無法進一步提高。結合采集終端和GPRS傳輸技術可實時自動抄收用戶用電信息，但系統的適應能力有限，不適用于特殊供電環境[3]。具有自診斷功能的電能信息采集與監控系統包括操作系統平臺、主機平臺、軟件平臺、數據庫模型和系統應用界面，但系統成本較高且部署過于集中[4]。為提高電表數據的接收和發送可靠性，結合ARM+ATT7022E電能計量芯片和LoRa網關實現了遠程充值和繳費功能，但測量精度有待提高[5]。采用嵌入式技術構建的智能電網電能信息采集系統，通過OPNET網絡仿真軟件提高了數據傳輸的可靠性，但是系統通信方式眾多，每種通信方式均需搭配專屬驅動，工作量龐大，暫未完成所有通信方式的智能化分配[6]。采用LoRa和GPRS通信搭建的基于ARM的遠程電能采集系統測量精度高，但測點較多導致加載較慢，延長采集間隔，降低了系統獲取數據的實時性[7-8]。綜上所述，目前有關電能采集系統的研究較多，但存在精度低、環境不適用、軟硬件設計復雜和成本高等問題。為了提高現有電網系統的實時性和準確率，結合Zigbee[9]的低功耗、抗干擾和自組網等特點設計了一個光伏逆變器電壓實時監測系統，采用高精度的電能計量芯片準確采集和實時監測電網電能信號，通過連接串口通信和上位機，方便用戶進行管理和維護，提高系統的易用性和可靠性。

1 系統總體設計與工作原理

系統主要由供電模塊、降壓隔離模塊、采樣測量模塊（電能計量芯片）、通信模塊、OLED顯示模塊和上位機等六部分組成（圖1）。其中，供電模塊為通信模塊提供工作電壓；降壓隔離模塊將220 V交流電轉換為系統所需5 V直流電，采樣測量模塊通過電能計量芯片來采集和計量電壓，利用分壓測量方式和錳銅電阻進行電流采樣，獲得單相電流和電壓的模擬量數據，傳輸至電能計量芯片進行計量；通信模塊采用Zigbee技術實現數據無線傳輸；OLED顯示屏直觀顯示電流和電壓等數據信息；上位機系統通過對數據的處理、分析和存儲，實現電能計量和監控。

系統總體原理圖如圖2所示，采用電能計量芯片HLW8032對電能進行采集，電能計量芯片HLW8032利用內置模數變換器將模擬電壓信號轉化為數字信號，通過光電耦合電路PS2501與主控模塊STM32F103進行通信。主控模塊STM32微控制器負責解析和計算從電能計量芯片HLW8032接收到的數據。顯示屏OLED通過串口與主控制模塊STM32F103進行通信，讀出并顯示電壓信息，同時通過串口將數據傳送給上位機。上位機實時接收這些數據，并以xlsx格式存儲。

2 硬件設計

2.1 采樣電路設計

采樣電路使用電能計量芯片HLW8032進行高精度的電能采集，電路如圖3所示。

芯片內部集成了兩個A/D數模轉換器和一個電能計量內核，采用異步串行通信方式，利用光電耦合電路進行隔離。采樣測量時，電流信號經過錳銅電阻，將火線與零線之間的電壓值轉換為電流模擬量并輸入電能計量芯片。電壓信號經過電阻分壓，將電流值轉化為電壓模擬量輸入電能計量芯片。電能計量芯片的IP和IN引腳與采樣電阻相連，將獲取的電流信號通過芯片內部的ADC轉換為MCU可讀取的電流值。PF和TX引腳直接與MCU相連，主控MCU采用具有高效通信和高速計算能力的STM32微控制器。在電能計量芯片的電源端，并聯兩個小電容用于濾除電網的高頻和低頻噪聲，確保電能計量芯片接收到準確穩定的電流和電壓信號。通過建立上述通信電路，實現MCU對電能計量芯片的控制和數據讀取及對電能計量和其他功能的操作和監測。電壓有效值和電能用量的計量如式（1）-（4）所示[10]

有效電壓=電壓參數寄存器電壓寄存器×電壓系數（1）

1度電的脈沖數量=1功率參數寄存器×1電壓系數×109×3600（2）

PFcnt=k65536+n（3）

電能用量=PFcnt1度電的脈沖數量（4）

其中，PFcnt表示PF寄存器（PFREG）的脈沖信號數量；k是數據更新寄存器（Data Updata REG）的bit7的取反次數；n是PF寄存器值。

2.2 ZigBee通信電路設計

CC2530是一種低成本芯片，適用于ZigBee組網應用，具有高度集成的片上系統，芯片內部集成了增強型8051微處理器和先進的微功率無線射頻設備[11]。同時支持電源管理功能，提供多種工作模式，可作為射頻收發芯片和嵌入式終端的處理器，具有顯著降低成本，提高系統可靠性的優勢。采用CC2530芯片作為射頻收發器和處理器可實現嵌入式終端與其他設備之間的無線通信，通過與ZigBee設備通信，建立穩定可靠的網絡節點，實現各種智能控制和數據傳輸功能，具體電路設計如圖4所示。

2.3 OLED顯示電路設計

顯示部分采用六針的SPI/IIC OLED模塊，該模塊具有低驅動電壓和低能耗等優點，可滿足便攜及低功耗應用場合需求。接線時，GND引腳接地，VCC引腳接電源供電，SCL引腳接時鐘信號，SDA引腳接數據線，RES引腳接復位，DC引腳既可用于數據傳輸也可用于命令控制。為與MCU進行通信，OLED顯示屏采用SPI總線。MCU可以通過控制時鐘信號和數據線的狀態向OLED顯示屏發送指令和數據以控制顯示內容，具體電路設計如圖5所示。

2.4 隔離通信模塊

為實現隔離通信，系統使用光電耦合電路進行強弱電隔離[12]，將外部的220V電源與內部電能計量芯片隔離，顯著提高系統的可靠性、穩定性，并增強抗干擾能力。如圖6所示，光電耦合隔離電路能夠實現信號的單向傳輸，可通過UART接口與MCU進行數據通信。TX引腳發送數據，RX引腳接收數據。

3 系統軟件設計

系統軟件部分由多個驅動程序代碼組成，包括電能計量芯片驅動程序、CC2530接口收發控制接口程序、STM32控制程序和OLED顯示驅動程序等。其中，電能計量芯片的驅動程序包括SPI接口的初始化、寫寄存器、讀寄存器、讀取電壓和電能等寄存器的函數，可實現對電能計量芯片的控制和數據讀取；CC2530接口程序包括初始化、信道搜索、監聽網絡狀態、監測信號、判斷信號類型、采集、解析和發送等函數，可實現與CC2530無線模塊的通訊和數據交互；STM32通過USART1接口提供初始化設置、發送數據、接收數據、中斷服務程序和波特率設置等函數，可實現與其他設備的串口通信和數據交換；OLED顯示驅動程序主要包含屏幕的顯示控制和字符顯示等相關函數，可在OLED屏幕上顯示各種信息。

系統軟件流程如圖7所示，完成所有電路連接后，首先打開電源，整個電路系統開始初始化。STM32微控制器通過SPI接口向電能計量芯片HLW8032發送讀取指令。然后，電能計量芯片HLW8032將采集到的電壓值存儲在相應寄存器中，STM32通過SPI接口連接電能計量芯片HLW8032讀取寄存器中的數據。隨后，STM32微控制器對接收到的數據進行解析，并利用HLW8032的電壓計算公式將解析到的數據轉換為實際電壓值。最后，將計算得到的電壓值存儲在數組中，并通過OLED顯示屏和上位機以可視化的形式顯示。

為更好的實現數據可視化，采用Visual Studio 編程生成上位機窗口，實時監測接收的數據，并以波形的形式展示。該窗口可以直觀地顯示電壓的變化，同時將采集到的數據以xlsx格式進行存儲。

4 系統軟硬件調試

根據設計要求，系統主要分為強電部分和弱電部分，其中強電電路主要用于電壓轉換和采集，而弱電部分采用多節點結構實現電壓的實時采集、傳輸、顯示與數據處理。測試共采集100組數據，并對采集結果進行多次均值處理。測得的基波A、B、C相電壓均達到100 V以上，滿足設計需求，并且能夠以波形的方式直觀顯示各個節點電壓值在一段時間內的變化形式（圖8）。實驗結果表明，系統的數據采集和上位機設計均達到了理想的設計目標，實現了遠程通信及電參數的智能化和便利化采集。

5 結論

本文設計了一款基于STM32和電能計量芯片的光伏逆變器電壓實時監測系統。通過Zigbee技術與Visual Studio 2022實現多節點電壓信號的實時采集、傳輸、數據處理和顯示。相比其他系統，該系統的硬件結構銜接良好，可實時準確的采集三相電網參數、實時監測和顯示電網電能信號，及時反饋電網狀態的變化情況，有效降低了能耗和成本，提高了系統的可靠性和穩定性，能夠滿足電能監測領域的需求。

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Design of Real-time Monitoring System for Photovoltaic Inverter Voltage

Based on Wireless Sensor Network

LIN Qian， WANG Mei-qian

（School of Physics and Electronic Information Engineering， Qinghai

Minzu University， Xining 810007， China）

Abstract：

Due to the problems of insufficient measurement accuracy， complex software and hardware design， inapplicable environment and high cost for the previous electric energy acquisition system， a photovoltaic inverter voltage real-time monitoring system based on the wireless sensor network technology was designed， which is aimed to realize real-time measurement and display of power grid power signals. STM32 was used as the main control chip， combined with electric energy metering chip and Zigbee technology to realize the real-time monitoring of grid voltage， and real-time acquisition. The transmission， display and data processing of multi-node voltage can be realized through the host computer system. The test results show that the acquired fundamental three-phase voltage all reach more than 100V， and this system has the advantages of strong real-time， accuracy and stability.

Keywords：

wireless sensor network; STM32;electric energy metering chip; voltage acquisition system