基于STM32的防盜電系統設計*

張 玲，李經章，何 偉

(重慶大學通信工程學院，重慶400044)

0 引言

供電局通常在電網上裝配了大量的配電柜來保障供電，一些不法分子在配電柜的進線線路引線并掛接電器工作，由于所消耗的電流不流經電表，從而不能為其計費，給供電局造成了直接經濟損失。

針對實時防盜電的功能要求，本文設計了以STM32單片機為核心的防盜電系統［1］，采用ATT7022芯片測量電力線路的電流，對測量結果進行分析，采用浮動閾值的方法，通過CC1101進行433 MHz無線通信，開發了測量精度高、安裝方便、可有效防止盜電情況發生的監控系統。

1 防盜電系統方案設計

防盜電系統功能通過2個設備來實現，分別是電流測量設備和主監控設備。電流測量設備使用ATT7022測量配電柜進線線路的電流，將采得的電流值通過CC1101無線通信發給主監控設備;主監控設備讀取電表電流，并將其和電流測量設備所測電流值進行比較，當超過規定閾值時認為有盜電情況發生，點亮相應信號指示燈并控制繼電器

切斷電力傳輸。防盜電系統結構圖如圖1所示。

圖1 防盜電系統結構圖Fig 1 Structure diagram electricity anti-theft system

2 防盜電系統硬件設計

2.1 監控主設備硬件設計

監控主設備和電流監控設備都以STM32F101C6單片機為核心，該芯片是一種基于Cortex—M3 ARM內核、高性能、低功耗、低成本的微控制器，集成32 kB FLASH和6 kB SRAM，工作頻率達 36 MHz［2］，片上包含了 USART，SPI，ADC，定時器等豐富外設，可以滿足本系統使用。

STM32通過SPI協議控制CC1101芯片進行433 MHz無線通信，TI 公司提供了該芯片外圍電路包含射頻部分的參考設計，參考該設計可迅速搭建該芯片所需的外部電路。

設計中采用浙江松鶴電表公司生產的DT(S)SF型電子式電表。監控主設備中利用單片機USART外設外接SP3485EN芯片進行電平轉換，引出485端口和電表進行通信［3］，通信規約支持《DL/T645—1997多功能電能表通信規約》。

此外，利用STM32的通用輸入輸出口連接3個不同顏色LED進行設備狀態指示，外接S9014三極管擴流控制繼電器的通斷從而控制電力傳輸。

2.2 電流測量設備硬件設計

電流測量設備安裝在配電柜的進線線路上(通常在電線桿上)，通過ATT7022芯片實現對電力線路電流的測量，并將采得的電流參數通過CC1101模塊發給監控主設備。

2.2.1 電源模塊

由于ATT7022電力測量芯片使用5 V電壓而STM32使用3.3 V電壓，且設備需采用電池供電，設計采用了TPS54283雙開關電源芯片為系統同時提供5 V和3.3 V兩路電源［4］。該芯片具有較高的轉換效率的同時可提供兩路高達2A的電流輸出，采用小體積HTSSOP14封裝，適用于便攜式或電池供電的多電源系統中。

2.2.2 ATT7022 模塊

為實現對電力線路電流的測量，電流測量設備采用了ATT7022芯片［5］。該芯片是一種高精度三相電能專用計量芯片，集成了六路二階逐次逼近型ADC、參考電壓電路以及能量、有效值、功率因素等參數的數字信號處理電路。ATT7022通過SPI總線和STM32之間進行計量參數和校表參數的傳遞，并提供了SIG管腳用來指示芯片的工作狀態。

由于ATT7022和STM32分別采用了不同的工作電壓，通過SPI進行連接時需要進行電平轉換，考慮到SPI通信速率不高，為簡化電路設計，ATT7022的輸出信號采用電阻分壓與STM32相連，ATT7022的輸入信號則直接與STM32的輸出管腳相連。設計中將芯片的SIG管腳經過電阻分壓與單片機相連，以方便檢查芯片工作狀態。

ATT7022進行電流參數測量時需要外部連接電流互感器，根據芯片數據手冊的要求，采用了力創公司生產的LCTA21CE(1.5 A/5 mA)型電流器互感器。為了保證測量精度，電流采樣網絡中的電阻器均采用1%的精度。電流采樣網絡的原理圖如圖2所示。

3 電力監控系統軟件設計

3.1 監控主設備程序設計

監控主設備每隔一段時間(實際設定為10 min)輪詢電流測量設備測到的電流參數，得到后讀取電表測量的電流值并進行比較，當超過一定閾值后即認為有盜電情況發生，控制繼電器斷開電力傳輸，并點亮紅色LED報警，若無線通信出現故障，則點亮黃色LED指示無線通信故障，系統工作狀態正常，則點亮綠色LED。

圖2 電流采樣網絡原理圖Fig 2 Principle diagram of current sampling network

3.2 433 MHz無線通信程序設計

單片機通過讀寫CC1101寄存器實現433 MHz無線通信數據傳輸［6］。監控主設備在與電流測量設備通信時作為主設備。由于無線信道相對不穩定，設計兩設備之間的無線通信時加入了簡單的出錯重傳機制，若重傳超過5次仍不成功，則判定出現通信故障。為避免外部433 MHz無線設備對系統造成干擾，設計了簡單的幀格式，如表1所示。數據包為20個字節，幀頭用來區別其他無線設備傳輸數據包，監控主設備發至電流測量設備的數據包中方向字節為0x80;反之，為0x08，每次通信可傳輸16個字節測量數據。

表1 433 MHz無線通信幀格式Tab 1 Format of 433 MHz wireless communication

3.3 電流測量設備程序設計

由于電流測量設備采用干電池供電，軟件設計中著重考慮了低功耗性能，通過使STM32單片機在無查詢幀收到時睡眠降低單片機功耗，延長系統工作時間。上電后必須對ATT7022進行校正，具體校正流程為復位ATT7022、寫校表寄存器值、等待SIG信號電平變高(ATT7022正常工作)。校表寄存器值按以下方法計算確定(電流值單位為安培):

當電流校表寄存器值Igain=0時，從標準表(設計中使用數字式電表)讀到的電流值為Ir，電流有效值寄存器的值為Datal。已知:實際輸入電流值Ir;實測的電流值Irms=DataI×210÷224。計算公式 Igain=Ir÷Irms－1;

實際使用時將通過實驗計算好的校表寄存器的值存儲在程序中，上電后即對ATT7022進行校正，校正后進入休眠狀態，等待監控主設備查詢測量值。電流測量設備的軟件流程圖如圖3所示。

4 測試結果

實驗中著重對ATT7022的測量精度進行了測試，實際電流值為電表讀到的電流值。實驗中在實驗室以CRT顯示器、電暖氣、電熱水器等作為負載，在0～6 A范圍內選取幾組值進行了測試，測試結果如表2所示。

圖3 電流測量設備軟件流程圖Fig 3 Flow chart of software of current measuring equipment

表2 電流測量實驗結果Tab 2 Test result of current measuring

從實際測量數據可以看出:ATT7022測量精度較高，當電流小于0.5A時不存在測量誤差，當測量電流較大時會產生微小的誤差，且測量誤差不超過1%，可以滿足實際應用要求。

針對其誤差有隨著測量值不斷增大而增大的特點，程序中采用了浮動閾值，具體做法是電流測量值在0～5 A之間時以0.1A為閾值，當電流測量值在5～10A時采用0.2A作為閾值，依次類推，每一個5 A區間閾值增加0.1 A，保證正常供電的前提下實現良好的監控效果。

5 結束語

本文根據防盜電的功能需求，以兩片STM32單片機為核心，采用ATT7022測量電力線路電流，通過CC1101進行無線通信，設計了監控主設備和電流測量設備，實現了系統防盜電功能。經實際使用證明:系統工作正常穩定，能夠在盜電情況發生時切斷電力傳輸，有效防止盜電情況發生，滿足了系統設計的性能要求。

［1］季 力.基于STM 32芯片的電參數測量與數據傳輸［J］.自動化與儀器儀表，2010(3):137－139.

［2］喻金錢，喻 斌.STM32F系列ARM Cortex—M3核微控制器開發與應用［M］.北京:清華大學出版社，2011:4.

［3］劉有珠，李舒亮，朱杰斌.基于GPRS的低壓配電網實時管理系統［J］.單片機與嵌入式系統應用，2010(12):43－46.

［4］Texas Instruments Incorporated.TPS54283 datasheet［Z］.Dallas:TI Inc，2007.

［5］高 濤，譚志強，李開成.基于ATT7022和CAN總線的交流數據采集系統設計［J］.華北電力技術，2006(4):4－6.

［6］童亞欽，紀春國.基于CC1101的分布式節能測控網絡設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2009，29(4):131－134.