基于嵌入式操作系統的無線電力監測系統設計

印 姍，王 遠，張 成

(中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621000)

基于嵌入式操作系統的無線電力監測系統設計

印 姍，王 遠，張 成

(中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621000)

為了對各個用電設備或用電用戶的電力使用情況進行精細化監測，從而對電力評估、管理起到基礎性作用，設計了一種基于Contiki嵌入式操作系統的無線電力監測系統，以6LoWPAN作為無線通信協議；該系統由終端節點、路由節點、接入節點、GPRS模塊及計算機數據中心構成；介紹了基于TV3154、TA5212及信號調理濾波網絡、ADE7653電力測量、MSP430F1611主控及CC2420射頻的終端節點、接入節點硬件設計方法；介紹了基于Contiki，結合6LoWPAN無線協議及I2C、UART等串口通信協議的終端節點、接入節點軟件設計方法；實驗結果表明，系統對電壓、電流、功率的測量誤差均保持在2% 以內，能夠實現組網，兩個節點之間的無線通信距離可達80 m。

電力監測；嵌入式操作系統；Contiki；6LoWPAN

0 引言

電力監測系統的建立為電力評估管理工作提供可靠的數據支持電能消耗分布在社會生產建設的各個領域，但目前并沒有一種經濟有效的手段對各用電設備或用戶的用電信息進行實時監測和傳輸。而電力數據量急劇增加，應盡量減少人工抄錄[1]。

隨著物聯網技術及嵌入式技術的發展，利用無線通信技術對電力信息進行網絡化采集、傳輸與管理是電力監測系統發展的趨勢。本文提出一種基于嵌入式操作系統的無線電力監測系統，能夠對電能進行分布式分項監測，并進行無線、網絡化傳輸管理[2-3]。

常用的無線通信協議包括ZigBee協議、Bluetooth協議、Wi-Fi協議、6LoWPAN協議等。其中，ZigBee協議[4-6]和6LoWPAN協議功耗低，適用于無線傳感網絡數據傳輸，而6LoWPAN協議引入了IPV6協議，對每一個節點分配IP地址，管理清晰，每個節點都可以訪問互聯網，增加了節點數量。這也是應用于物聯網的新技術。

1 系統總體設計

本系統對用電設備電力參數監測，測量結果滿足一定的精度要求，基于無線通信技術實現短距離低速自組網傳輸數據，被測量參數能夠準確地傳輸到本地計算機上，或者與GPRS通信主干網絡以及互聯網融合，測量結果能夠傳輸到遠程數據中心，進行顯示與存儲。如圖1所示為系統總體結構框圖。終端節點實現用電設備電力信息的監測并將數據傳送至路由節點或接入節點(當網絡較小時，將忽略路由節點)。接入節點實現數據向本地計算機傳輸或者通過GPRS模塊實現與互聯網遠端數據中心傳輸數據。

圖1 系統總體結構框圖

終端節點由電力參數測量模塊、主控及無線射頻模塊構成。路由節點與終端節點結構相同。接入節點由主控及無線射頻模塊構成。

本文利用6LoWPAN作為無線通信協議，該協議基于嵌入式開源操作系統Contiki開發。Contiki嵌入式操作系統是一種開源的、極易移植的多任務操作系統，可以移植到MSP430單片機使用，支持IPv6協議。在虛擬機VMware上開發。

2 系統硬件設計

組成無線電力監測系統的終端節點和接入節點由電力參數測量模塊、主控及無線射頻模塊構成，系統設計的關鍵難點是這兩個模塊的設計。關鍵技術是低功耗設計、抗干擾設計、通信接口設計。

2.1 電力參數測量模塊

由于被測電壓、電流范圍較高，不能直接進行測量，需要轉換為低量程的電壓信號。常用的電流轉換方案包括猛銅分流器、電流互感器等，比較而言，后者具有抗干擾能力強、安全性高的優點；常用的電壓轉換方案包括電阻分壓網絡、電壓互感器等，比較而言，后者的抗干擾能力更強。電力參數測量模塊結構如圖2所示，分別使用電壓互感器TV3154、電流互感器TA5212將電壓、電流轉換成低電壓信號，經過如圖3所示的分壓濾波調理電路之后接入芯片ADE7953進行測量。前端測量對象為強電信號，后端測試電路為弱電電路，為防止干擾，二者之間進行隔離設計。為了降低功耗，AD轉換芯片、數據隔離芯片均使用低功耗器件。

圖2 電力參數測量模塊結構圖

圖3 調理電路

2.2 主控及無線射頻模塊

主控及無線射頻模塊具備與計算機、電力參數測量模塊、GPRS模塊、無線射頻通信能力，要求其具有豐富的通信接口。通信接口設計、低功耗設計也是該模塊設計的關鍵技術。主控及無線射頻模塊結構如圖4所示。為滿足低功耗設計，主處理器、射頻芯片等關鍵器件均使用低功耗器件。主處理器使用超低功耗型單片機MSP430F1611。無線射頻芯片采用CC2420。設計了USB電路，與計算機通信；另外，利用單片機自帶的UART、I2C及IO擴展接口與其他模塊通信。

圖4 主控及無線射頻模塊結構圖

3 系統軟件設計

在VMWare平臺上安裝Contiki操作系統程序安裝包，對終點節點、接入節點程序開發后，下載到主控芯片MSP430F1611上。下面介紹此兩個節點軟件設計。

3.1 終端節點軟件設計

終端節點軟件流程如圖5所示。

圖5 終端節點軟件流程圖

上電初始化之后首先申請加入網絡，如果成功入網，進行電力參數測量，將測量結果通過6LoWPAN無線通信協議傳輸到路由/接入節點。電力參數測量部分軟件執行I2C通信。

3.2 接入節點軟件設計

接入節點軟件流程如圖6所示。接入節點將完成測量數據的下行接收以及上行傳輸，傳送到本地計算機數據中心或者GPRS模塊，上行傳輸都使用UART串行通信協議。

4 測試結果

由于實驗條件有限，本文使用間接法開展實驗，驗證系統性能。間接法的原理是：被測信號經過電壓互感器、電流互感器以及分壓電路之后，小量程的電壓信號，被測信號與此小量程電壓信號呈線性關系。利用信號發生器輸出小量程電壓，模擬大量程的電壓、電流信號輸入測量模塊，驗證系統對電力參數的測量性能[7]。

圖6 接入節點軟件流程圖

對電壓、電流測量結果表1、表2所示。相對誤差在2%以內。

表1 電壓測量結果

表2 電流測量結果

另外，對60W燈泡功率進行測量，測量誤差小于2%。對系統組網性能測試，系統組網成功。對6LoWPAN通信距離測試，通信距離可達80m。

5 結論

本文設計了一種基于Contiki嵌入式操作系統的無線電力監測系統，以6LoWPAN作為無線傳輸協議，詳細介紹了終端節點、接入節點的設計方法，其中，終端節點能夠實現電壓、電流、功率等電力參數監測，并將測量數據通過6LoWPAN無線協議傳輸到路由節點或接入節點，組件無線通信網絡，接入節點能夠將數據傳輸到本地計算機或通過GPRS模塊融合移動通信網絡及因特網傳輸到遠程數據終端。系統對電壓、電流、功率的測量相對誤差在2%以內。 能夠實現組網。6LoWPAN通信距離可達80m。

[1] 狄新文.基于GPRS的分布式電力監測管理設計[J].硅谷,2013(17):20-21.

[2] 趙小強,陳升偉，張朋波.基于物聯網的水質在線監測系統設計與實現[J].計算機測量與控制,2015，23(11)：3627-3630.

[3]GuLX.AdvancementofEnergyplusandITSCouplingwithChamps-wholeBuilding[C].Nanjing,China:The8thInternationalForumandWorkshoponCombinedHeat,Air,MoistureandPollutantSimulations,March20-22, 2011.

[4]McCutcheonJE,WangX,TsengKY,WolfME,MarinelliM.Calcium-permeableAMPAreceptorsarepresentinnucleusaccumbenssynapsesafterprolongedwithdrawalfromcocaineself-administrationbutnotexperimenter-administeredcocaine[J].TheJournalofNeuroscience, 2011, 31(15):20.

[5] 張洪臣,付偉乘,李相化等.基于ZigBee的樓宇電力監測系統[J].科技資訊,2011(35):109.

[6] 李 勇,柳 建.基于Zigbee的無線電力監測系統[J].信息技術,2012(11):137-139.

[7] 丁振良. 誤差理論與數據處理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社, 2002.

Designing of Wireless Power Monitoring System Based on Embedded Operating System

Yin Shan, Wang Yuan, Zhang Cheng

(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621000, China)

In order to monitor power of every electro-equipment more exact, a power monitoring system based on embeded operating system is designed. The wireless communitaion protol 6LoWPAN is used in this system. This power monitoring system consists of ending node, routing node, inserting node, GPRS node and information management center. In this paper, the hardware design method of ending node and inserting node is introduced based on sensor TV3154 , sensor TA5212, power monitoring chip ADE7953, MCU MSP430F1611 and CC2420. The software design method of ending node and inserting node is proposed based on 6LoWPAN, I2C and UART. The experiment result shows that the error of voltage, current and power are all less than 2%. The power monitoring system could succefully build wireless network and the wireless communication distance is 80 m.

power monitoring; embeded operation system; contiki; 6LoWPAN

2016-09-05；

2016-11-02。

印 姍(1990-)，女，四川綿陽人，碩士研究生，主要從事測試系統方向的研究。

1671-4598(2017)03-0022-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.007

TP216

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