樓宇末級配電設備群的無線傳感器網絡節點設計

楊 帆 ，鄭心妍 ，幸志偉

（1.武漢工程大學 電氣信息學院，武漢 430073；2.湖北省智能機器人重點實驗室，武漢 430073）

我國的樓宇建筑普遍缺乏相應的基礎測量設備，無法實時測量、記錄和統計相應的電能數據及運行狀態，建筑能耗節能系統不能進行內部實時調控，無法使相關系統有效協調運行，實際的節能效果達不到預期標準[1-3]。無線傳感網絡WSNs（wireless sensor networks）應用于樓宇方面的監控系統，可以有效地克服傳統有線樓宇監測系統布線成本高、組網不靈活、數據傳輸可靠性差、樓宇環境受破壞等缺點，在樓宇智能化方面有著巨大的應用前景[4]。針對樓宇的特點，設計了基于微處理器、無線收發模塊、傳感器模塊等開發智能設備硬件的樓宇末級配電設備群的無線傳感器網絡節點。

1 節點系統設計

本文設計的節點應用于樓宇建筑，可實現對用戶的電壓、電流、開關狀況等多種物理信息的采集，并根據應用的需求進行相應的信息處理，并把處理后的數據直接傳送給匯聚節點，或者傳送給相鄰節點再由相鄰節點傳送給匯聚節點，匯聚節點將信息處理后，直接將數據傳送給控制器[5-8]。設計的無線傳感器網絡節點由電源單元、數據處理單元、無線通信單元、傳感器單元組成，無線傳感器網絡節點的系統結構如圖1所示。

圖1 節點系統結構Fig.1 Node system structure

1.1 數據處理模塊的設計

數據處理模塊采用STC90C516RD+單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇，內部集成MAX810專用復位電路。該芯片采用Flash ROM，內部有61 KB程序存儲空間，對于本設計而言程序空間完全夠用。單片機STC90C516RD+的引腳 RST與復位電路相連，引腳 P2.5、P2.6與E2PROM 電路相連，引腳 P2.2、P2.3、P2.4、GND 與時鐘電路相連，引腳P0.3與指示燈LED0相連，設計的單片機與外圍電路的接口電路如圖2所示。

圖2 單片機與外圍電路接口電路Fig.2 Interface circuit between single chip microcomputer and peripheral circuit

1.2 無線通信模塊的設計

無線通信模塊使用單片射頻收發器nRF905，nRF905通過SPI總線與CPU相連，當有信號發送時，TRX_CE與TX_EN置1，此時nRF905工作模式為ShockBurst TX模式（發送模式），數據發送完畢，TRX_CE被設置為低電平，nRF905結束數據傳輸并自動進入standby模式（低電流模式）；當有信號接受時，TRX_CE置1，TX_EN置0，此時nRF905工作模式為ShockBurst RX模式（接受模式），所有有效數據被讀出，AM和DR被設置為低電平，nRF905將準備進入ShockBurst RX、ShockBurst TX或Powerdown模式（掉電模式）。nRF905的EESCN、SCK、MISO、MOSI、DR、PWR_UP、TRX_CE、TX_EN 引腳分別與單片機STC90C516RD+的P2.0~P2.7引腳相連，設計的單片機與無線通信模塊的接口電路如圖3所示。

圖3 單片機與無線通信模塊接口電路Fig.3 Interface circuit of single chip microcomputer and wireless communication module

1.3 傳感器模塊的設計

傳感器模塊采用CS5460A測量芯片，完成對用電設備電壓、電流的測量。CS5460A的引腳VIN+、VIN-與電壓互感器相連；引腳 HN+、HN-與電流互感器相連；引腳XOUT、XINT與晶體振蕩器相連；引腳 RESET、CS、SDI、SDO、SCLK、EDIR分別與單片機STC90C516RD+的P1.0~P1.5相連，如圖4所示。通過電壓互感器T1、電流互感器T2分別采集電壓、電流信號，將采集到的信號輸入CS5460A芯片就可以由內部的電能自動計算函數計算出該用電設備的瞬時電壓、瞬時電流、電壓有效值、電流有效值等各種參數，并存入相應的寄存器中。STC90C516RD+可直接從CS5460寄存器中讀取數據，并對數據進行分析處理。

單片機STC90C516RD+的P3.3與CS5460A的INT引腳相連，供電電壓經分壓電路接入CS5460A的PFMON引腳，進行電源的監視。當電源斷電或者發生故障時，由CS5460A向單片機發出中斷申請，STC90C516RD+讀取狀態字，

判斷后進行處理，將運行參數、校準參數等數據存入E2PROM保存，防止數據丟失。

圖4 單片機與傳感器模塊接口電路Fig.4 Interface circuit of single chip microcomputer and sensor module

1.4 電源模塊的設計

電源模塊采用7805穩壓電源電路，220 V交流電壓經過T3變壓和DR橋式整流，然后經過集成穩壓器7805，輸出5V直流電壓給單片機STC90C516RD+供電，再通過D1~D3輸出3 V直流電壓給nRF905供電。設計的電源模塊電路如圖5所示。

圖5 電源模塊電路Fig.5 Power module circuit

2 軟件設計

無線傳感網絡節點由硬件和軟件構成，由于篇幅限制，在此只闡述無線傳感網絡節點軟件設計流程，無線傳感網絡節點具有休眠、喚醒、正常工作模式[10]。系統完成初始化后，節點將進入休眠模式，等待被喚醒。喚醒后將檢測到的電壓電流值傳送給下一個節點，執行完畢后，節點再次進入休眠模式，直到再次被喚醒，節點的工作流程如圖6所示。

圖6 節點工作流程Fig.6 Flow chart of node work

3 調試界面

本設計利用組態王軟件實時顯示用戶電壓、電流以及用電設備的開關狀態[9]。如圖7所示，模擬了一棟樓每層用戶的用電情況，值班人員通過觀察設備的用電參數從而監測其開關狀態以及運行狀態，能夠快速有效地調節用電設備的開關，起到節能作用。

圖7 調試界面Fig.7 Debug interface

4 結語

樓宇末級配電設備的無線傳感網絡系統由無線傳感節點、控制器、上位機三部分構成。本次設計的無線傳感網絡節點與控制器和上位機構成的系統，完成了對用電設備電壓、電流值等參數的實時檢測及控制用電設備的開關狀況，為降低建筑用電設備的能耗提供了一種有效方法。

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[10]Hande Alemdar，Cem Ersoy.Wireless sensor networks for healthcare：A survey[J].Computer Networks，2010，54（15）：2688-2710.