基于ZigBee的電力負荷監(jiān)控裝置

作者/孟獻儀 徐州和緯信電科技有限公司，董建 合肥同智幾點控制技術(shù)有限公司，郭健鵬 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院

　　引言

　　隨著智能家居行業(yè)的快速發(fā)展，電力用戶對電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求越來越高，同時用戶對電網(wǎng)的擾動也在不斷加強。為了確保安全、優(yōu)質(zhì)用電，須進一步加強對電力負荷的管理，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。本裝置采用單片機實現(xiàn)對電力負荷監(jiān)測，能夠監(jiān)測電力負荷的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等多個參數(shù)，實現(xiàn)負荷數(shù)據(jù)采集、超功率斷電并報警、數(shù)據(jù)無線實時上傳等功能，能有效對負荷進行監(jiān)測，并通過上位機進行遠程控制。

　　1裝置硬件

　　裝置可分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集部分、控制部分和上位機部分，如圖1所示。

　　圖1 硬件組成框圖

　　1.1測量電路

　　本設(shè)計是采用上海東軟載波微電子HR7P193單片機和CSE7759芯片設(shè)計電量采集模塊為核心設(shè)計的電力負荷在線監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用單片機進行數(shù)據(jù)處理， CSE7759是一款高性能電量集成芯片，其內(nèi)部集成振蕩器、AD轉(zhuǎn)換等電路模塊，能自主將采樣電壓、電流轉(zhuǎn)換為脈沖，具有模擬量輸入，數(shù)字量輸出的顯著特征，具有兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、內(nèi)置時鐘、乘法器、濾波器等功能模塊。

　　采樣電路采用電阻采樣方式，電壓采樣是將220V市電電壓通過4個470kΩ電阻和一個1kΩ電阻串聯(lián)分壓從而得到采樣小信號電壓，電流信號采用錳銅采樣電阻，其中錳銅電阻采用2mΩ，錳銅電阻選用不宜太大，否則溫飄將會嚴重影響測量結(jié)果，其采樣的電壓、電流信號為：

　　由于在電器開、關(guān)機時，感性負載兩端會產(chǎn)生較大的脈沖，因此設(shè)計了浪涌保護電路，浪涌保護電路由壓敏電阻和保險管組成，壓敏電阻的選?。焊鶕?jù)交流電壓的兩倍承受電壓值，并考慮留有裕量，故選取10K471，保險管根據(jù)允許最大電流為10A的保險管。電路如圖2所示。

　　圖2 測量電路

　　1.2過載自動斷電電路

　　無線電力負荷監(jiān)測系統(tǒng)中用電負荷現(xiàn)場部分通過控制繼電器實現(xiàn)自動斷電功能。根據(jù)負載特征，要求繼電器DC125-DC250V之間都能正常工作，且觸電容量高達10A，因此選用SRD-05VDC-SL-C型繼電器。過載自動斷電電路如圖3所示。在電路中，通過三極管的通斷，來使繼電器工作，同時三極管的放大作用能增加驅(qū)動能力。由于繼電器成份為線圈，使用D1作為續(xù)流二極管，預(yù)防繼電器斷開時所產(chǎn)生的反電動勢擊穿三極管，毀壞設(shè)備。

　　圖3 過載自動斷電電路

　　1.3 ZigBee無線通信電路

　　本設(shè)備采用的QAZ系列ZIGBEE無線模塊，是適應(yīng)市場需要推出的標準ZIGBEE產(chǎn)品，它基于TI公司CC2530F256芯片，內(nèi)部運行Zigbee2007/PRO協(xié)議棧，具有ZIGBEE協(xié)議的全部特性。其電壓為5V/DC供電，具有較強抗干擾能力，傳輸距離約1公里。 針對復(fù)雜的ZIGBEE協(xié)議，本模塊將協(xié)議棧嵌入模塊內(nèi)部，上電后自動組網(wǎng)，無需了解協(xié)議棧，只需要讀寫串口，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，簡單易用。

　　ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸分為三種模式，即：點播、組播、廣播，本方案只設(shè)計了點對點通信方案， ZigBee模塊點對點傳輸就能完成，所以本設(shè)計只用到ZigBee三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的其中的一種即星形網(wǎng)絡(luò)。圖4是通信電路系統(tǒng)框圖。

　　圖4 ZigBee通信電路系統(tǒng)框圖

　　1.3.1單片機與ZigBee電路連接

　　QAZ2421版的ZigBee模塊通過RS232接口與外界實現(xiàn)串口通信，RS232邏輯負為+12V，邏輯正為-12V;單片機串口電路采用TTL電平，TTL電平邏輯正為+5V，邏輯負為0V;很顯然兩者之間不能簡單地用導(dǎo)線相連實現(xiàn)通信，如下圖在兩者之間串入MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，便解決了TTL與RS232電平不匹配的問題。

圖5單片機與ZigBee電路連接

　　1.3.2單片機與ZigBee串口通信

　　一般情況下，ZigBee自組網(wǎng)可配合上位機進行設(shè)置，從而保證成功組網(wǎng)。組網(wǎng)后，協(xié)調(diào)器的短地址默認為0x0000，為路由器單向傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器提供了方便。但是組建網(wǎng)絡(luò)后，由于路由器的短地址是隨機的，如果單片機上應(yīng)用ZigBee短地址相互通信，不易實現(xiàn)程序的固定化，從而給點對點傳輸造成了麻煩，因此我們采用數(shù)據(jù)+自定義地址的方法，有效地解決了上面的問題。

　　對于自定義地址通信的問題，由于QAZ系列ZigBee模塊擁有完整的串口指令集，因此可以通過串口設(shè)置，實現(xiàn)ZigBee自定義地址的修改。從這一角度上說，只要單片機內(nèi)燒錄寫有相應(yīng)自定義地址的串口程序，在電路連接成功后，便可以初始化ZigBee的自定義地址，從而達到了點對點通信的目的。

　　1.4 單片機最小系統(tǒng)

　　本裝置采用上海東軟載波微電子HR7P193單片機為核心控制元件。HR7P193是一款8位MCU。主要用于家電、工業(yè)控制和汽車電子等領(lǐng)域。它的工作電壓范圍為3.0V ~ 5.5V，IDLE電流：160uA Typ.動態(tài)電流為5mA@8MHz，Typ. 系統(tǒng)時鐘工作頻率最高為16MHz ，內(nèi)部16MHz RC時鐘，全溫度頻率精度-10%~+5%，最多29個I/O端口，8K x 15bits Code Flash(Data Flash可選)，496 x 8bits SRAM，支持ISP，IAP，ICD功能，有一個8位定時器，三個8位時基定時器，一個16位門控定時器三路單邊PWM，10位分辨率，一路UART，一路I2C接口，只支持單主控模式ADC：10位精度，5通道，自帶LCDC液晶顯示驅(qū)動：4x13，4x17。最小系統(tǒng)如圖6所示。

　　圖6 主控最小系統(tǒng)

　　2上位機

　　上位機既可以在操作界面中顯示采集到的數(shù)據(jù)信息，又能控制相應(yīng)的設(shè)備動作。裝置的上位機是選取C++ Builder 完成的。界面如圖7所示。

　　圖7 上位機界面

　　該上位機還可以進行3D顯示波形，單擊右鍵就會出現(xiàn)“曲線截圖、曲線清除、3D顯示”等功能，還可以通過左鍵把波形進行局部放大。當單擊“開/關(guān)”按鈕，上位機會發(fā)出命令10(十六進制)，再次按下按鈕上位機發(fā)出命令11(十六進制)，下位機收到命令時就能控制繼電器的閉合與關(guān)斷，從而控制現(xiàn)場設(shè)備和電網(wǎng)的連接情況，實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制;同時，按鈕控制繼電器每斷開一次，上位機顯示界面中斷電次數(shù)就會加1，達到對負荷用電情況監(jiān)測的目的。

　　3結(jié)論

　　通過測試，本裝置可以實時準確地獲取用電負荷的耗電信息，并將用電信息發(fā)送給遠程監(jiān)控終端;設(shè)備可通過上位機對設(shè)備進行遠程控制，達到安全、優(yōu)質(zhì)用電的效果。