智能電能表溫升檢測(cè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

趙 波，馬宇明，趙 敏

（1．江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，南京 210007； 2．南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016）

智能電能表溫升檢測(cè)項(xiàng)目按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)G B/T 17215.211-2006（等同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62052-11-2003）中7.2條[1]，具體要求為“儀表每一電流線路通以額定最大電流，每一電壓線路（以及那些通電周期比其熱時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)的輔助電壓線路）加載1.15倍參比電壓，外表面的溫升在環(huán)境溫度為40℃時(shí)應(yīng)不超過(guò)25K。在2h的試驗(yàn)期間，儀表不應(yīng)受到風(fēng)吹或直接的陽(yáng)光照射。”

目前測(cè)量智能電能表溫升有2種基本方法[2]。一種是通過(guò)平面紅外熱像儀測(cè)量，但平面熱像儀是非接觸式的，存在較大誤差，且不能長(zhǎng)期在40℃時(shí)，無(wú)法對(duì)多表位進(jìn)行同時(shí)測(cè)量；另一種方法是通過(guò)接觸式溫度計(jì)（如溫度巡檢儀）等進(jìn)行測(cè)量，將多條溫度傳感器與智能電能表表面粘貼連接，進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，這樣帶來(lái)的問(wèn)題是對(duì)多表位多溫度測(cè)量點(diǎn)測(cè)量，有很多的連線，測(cè)量過(guò)程十分繁瑣。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們對(duì)智能電能表溫升項(xiàng)目進(jìn)行研究，研發(fā)了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)的智能電能表溫升自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)（圖1）。具體檢測(cè)過(guò)程為：將多塊（圖中50塊）智能電能表安裝在處于恒溫恒濕室（箱）內(nèi)的電能表檢驗(yàn)支架上，在每塊電能表側(cè)放置1個(gè)溫度無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)至少有6路溫度傳感通道，將電能表每個(gè)面上至少粘貼1個(gè)溫度傳感器，電能表安裝時(shí)注意背離恒溫恒濕室（箱）吹風(fēng)口，將恒溫恒濕室（箱）內(nèi)的溫度升高至40℃，待儀表表面溫度穩(wěn)定后，使用外部的智能電能表檢驗(yàn)裝置給多表位的被測(cè)電能表施加標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的額定最大電流、1.15倍參比電壓，試驗(yàn)時(shí)間2h，通過(guò)外置無(wú)線接收裝置實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)觀測(cè)內(nèi)部電能表表面溫度變化，如果超過(guò)25K（即25℃），則該項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果為不合格。

1 節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)

智能電能表溫升自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要是由帶溫度傳感器的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)組成，是一種典型的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)場(chǎng)合中的應(yīng)用。本項(xiàng)目中的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足以下要求：

1）溫度測(cè)量范圍(室溫～+100)℃、測(cè)量精度±1℃；

2）傳感節(jié)點(diǎn)至少能夠采集6路溫度通道的信號(hào)，采樣周期不長(zhǎng)于3秒；

3）無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)需要在采集到數(shù)據(jù)后的1秒內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)；

4）同時(shí)檢測(cè)多塊（如50）電能表的溫升數(shù)據(jù)，無(wú)線數(shù)據(jù)的通訊需穩(wěn)定可靠；

5）無(wú)線傳感終端節(jié)點(diǎn)由電池供電，無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)必須具有相對(duì)較低的功耗；

6）在電池電量過(guò)低時(shí)，用戶(hù)不需要取下電池可直接對(duì)電池進(jìn)行充電；

7）當(dāng)溫度傳感器損壞時(shí)，傳感器的更換需簡(jiǎn)單方便。

2 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的要求之一就是在滿(mǎn)足用戶(hù)的需求同時(shí)具有良好的拓展性，終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，終端節(jié)點(diǎn)的硬件電路由MCU、無(wú)線通訊模塊、LCD顯示模塊、Flash存儲(chǔ)模塊、溫度采集模塊、電量采集模塊、DC-DC模塊、充電模塊構(gòu)成。MCU作為終端節(jié)點(diǎn)的核心，控制整個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行；無(wú)線通訊模塊作為終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間通訊的橋梁，對(duì)整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的正常通訊運(yùn)行提供了硬件支持。LCD顯示單元用于顯示終端節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，如溫度數(shù)據(jù)、鋰電池電量、系統(tǒng)異常狀態(tài)等，考慮終端節(jié)點(diǎn)的能量效率，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)LCD處于關(guān)閉狀態(tài)；Flash存儲(chǔ)單元主要用于存儲(chǔ)終端節(jié)點(diǎn)的地址配置，使得終端節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)電能表在邏輯上相綁定；溫度采集模塊主要用于采集電能表的溫度；終端節(jié)點(diǎn)的能源都來(lái)源于鋰電池，考慮到單節(jié)鋰電池的電壓一般在3.6V-4.2V，為了給電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓，則需要一款低壓降的DC-DC直流穩(wěn)壓模塊；電量采集模塊的主要功能是測(cè)量終端節(jié)點(diǎn)鋰電池電量，方便用戶(hù)對(duì)節(jié)點(diǎn)電池電量的觀測(cè)；USB接口單元在終端節(jié)點(diǎn)中具有雙重作用，對(duì)鋰電池充電單元提供能量來(lái)源和為終端節(jié)點(diǎn)的配置提供接口。

終端節(jié)點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)包括由中斷程序組成的前臺(tái)程序和由輪詢(xún)系統(tǒng)組成的后臺(tái)程序兩部分組成。前臺(tái)程序具體為無(wú)線射頻（RF）接收中斷程序、USB接收數(shù)據(jù)中斷程序、定時(shí)器T3中斷程序、P0口外部中斷程序和P1口外部中斷程序。在終端節(jié)點(diǎn)中，USB接口主要用于接收檢測(cè)軟件的地址配置；RF接收中斷的主要作用為接收應(yīng)答幀、數(shù)據(jù)幀和命令幀，并將RF接收的數(shù)據(jù)從寄存器讀取到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，供后臺(tái)程序處理；定時(shí)器T3中斷程序主要用于給溫度的采集提供周期信號(hào)。前臺(tái)程序通過(guò)掩碼的方式提供相應(yīng)的程序狀態(tài)標(biāo)志位供后臺(tái)輪詢(xún)系統(tǒng)查詢(xún)，輪詢(xún)系統(tǒng)通過(guò)判斷程序狀態(tài)標(biāo)志位，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的程序。

圖1 多表位智能電能表溫升檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖2 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無(wú)線通訊電路設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)的核心是一款帶有MCU頻段為2.4GHz的射頻SOC芯片CC2531f256。MCU和射頻電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示，該電路的設(shè)計(jì)主要包括電源電路，射頻電路和處理器接口電路三部分。

CC2531f256的能量來(lái)自于底板提供的3.3V電壓，但需要對(duì)這一電壓進(jìn)行穩(wěn)定性處理，首先電源經(jīng)過(guò)一個(gè)值為1mH的電感，以減少交流、高頻信號(hào)的干擾，同時(shí)CC2531f256的8個(gè)電源引腳分別連接了100nf的電容以保證電源電壓穩(wěn)定性。CC2531f256的射頻信號(hào)采取差分信號(hào)，其最佳負(fù)載是69+j29Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)這一數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，采用50Ω的單鞭天線，阻抗匹配電路采用的巴倫電路，巴倫電路是由成本較低的電容和電感組成。處理器接口電路給母板提供了USB接口和GPIO口，以完成USB通訊、溫度采集和電池電量采集等功能，在USB接口電路中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)能力為20mA的GPIO口P1_0，驅(qū)動(dòng)1.5K的上拉電阻，以通知上位機(jī)對(duì)USB設(shè)備的巡檢和識(shí)別，同時(shí)在USB的USB_N與USB_P中都分別連接了47pF的電容和阻值為33Ω的電阻，以保USB信號(hào)的質(zhì)量。

圖3 MCU 和射頻電路設(shè)計(jì)原理圖

在無(wú)線通訊模塊的PCB繪制中，最大的困難來(lái)自于巴倫電路的繪制，巴倫電路PCB的設(shè)計(jì)，直接影響到無(wú)線通訊的性能。除了巴倫電路的設(shè)計(jì)對(duì)外，影響無(wú)線通訊模塊射頻性能另外一個(gè)重要因素就是PCB的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)。電能表溫升檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)線通訊模塊的EMC設(shè)計(jì)主要考慮了以下幾個(gè)方面：

1）保證地線的完整和均勻性。在布線時(shí)盡量將大塊的地線區(qū)域進(jìn)行分割從而使得地線在電路板上能夠均勻分布，頂層板與底層的地線之間辦采用大量過(guò)孔連接；

2）巴倫電路附近不布線，以減少普通信號(hào)與射頻信號(hào)之間的相互干擾；并且構(gòu)成巴倫電路的電容和電感都采用0402的封裝，以較少封裝尺寸對(duì)射頻信號(hào)的影響；

3）采用的32MHz的晶振下方有地線并且盡量接近射頻芯片，以提高晶振的精度；

4）信號(hào)線和電源線都需進(jìn)行處理，相鄰信號(hào)線的粗細(xì)相同并且走線平行，電源線通過(guò)加粗處理并且與濾波電容和電感連接的方式以保證電源信號(hào)的質(zhì)量。

3.2 溫度采集電路設(shè)計(jì)

電能表溫升檢測(cè)系統(tǒng)中溫度傳感器采用的是數(shù)字芯片DS18B20，其測(cè)量范圍、測(cè)量精度、測(cè)量速度和重復(fù)性都可以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的需求[3]。DS18B20雖為一款單總線設(shè)備，但是本系統(tǒng)中使用的6塊DS18B20并沒(méi)有掛在一根總線下，而是分別于MCU的6個(gè)GPIO口相連接，主要是考慮到在系統(tǒng)的實(shí)際使用過(guò)程中，傳感器的損壞而導(dǎo)致的更換不方便的問(wèn)題。如果6塊DS18B20都使用同一個(gè)GPIO口進(jìn)行控制，其中有一路傳感器損壞，用戶(hù)將無(wú)法辨別具體是哪一路傳感器發(fā)生異常，因?yàn)?塊DS18B20連接在一根總線上會(huì)增加傳感器更換的難度。在硬件設(shè)計(jì)中，DS18B20與MCU的連接如圖4所示，DS18B20采用標(biāo)準(zhǔn)的3線式接法。在對(duì)DS18B20供電時(shí)，采用了一個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)器件來(lái)控制DS18B20的供電，以降低DS18B20不工作時(shí)的能量損耗。

圖4 溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

本文介紹了一種智能電能表溫升自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件的背景，介紹了檢測(cè)過(guò)程，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)PCB版圖見(jiàn)圖5，實(shí)物圖見(jiàn)圖6，分析了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用情況良好。該系統(tǒng)的應(yīng)用簡(jiǎn)化了檢測(cè)過(guò)程，減少了人工干預(yù)，大大提高了檢測(cè)自動(dòng)化程度。

圖5 節(jié)點(diǎn)PCB 版圖

圖6 節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

[1]GB/T 17215.211-2006,交流電測(cè)量設(shè)備通用要求、試驗(yàn)和試驗(yàn)條件第11 部分：測(cè)量設(shè)備[S].

[2]馮守超,朱凌,劉振波.單相智能電能表溫升的試驗(yàn)方法[J].低壓電器, 2012, (16).

[3]張軍. 智能溫度傳感器DS18B20 及其應(yīng)用[J]. 儀表技術(shù), 2010(4).