基于窄帶物聯網技術的電量監控系統設計

王憲保,張展豪

(浙江工業大學 信息工程學院，杭州 310023)

0 引言

近年來，隨著物聯網和云計算技術的突飛猛進，智能電力儀表技術日新月異，抄表方式也由最初的人工抄表演進為通過RS485總線技術，再到如今常用的藍牙、Zigbee、GPRS、LoRa等無線通信技術[1]。其中藍牙技術覆蓋范圍只有幾十米，僅適用于小范圍。ZigBee技術的衍射能力和穿墻能力弱，不適用于障礙物密集度區域。GPRS因費用過高以及數據安全等問題，不適用于抄表。LoRa技術由于使用的是非授權頻段，涉及到合法性問題，并且隨其部署的增多會導致產生頻譜干擾。因此需要一種結合物聯網與云運算特性的新興物聯網通信技術，支撐起電網精益化管理與運營。

窄帶物聯網作為一種5 G時代新興的物聯網通信技術，采用3 GPP網絡標準，利用運營商現有的基站網絡，減少了基礎設施建設，并于2017年開始進行大規模部署商用，其容量大、覆蓋范圍廣、穿透力強、成本低廉、兼容性強、低功耗的特點，非常適合電力儀表的數據抄讀[2]。目前，國內對NB-IoT技術的應用方向十分廣泛，而將其集成在電力儀表的研究較少。因此，本文重點研究NB-IoT技術在電力儀表中的應用，設計了一種基于移遠BC26系列通信模塊和V9203計量芯片的電力儀表，對儀表的各硬件電路與軟件算法進行詳細論述。最后，在電量采集實驗平臺上對裝置計量結果的精確性與準確性進行了驗證，并將電量數據上傳至云平臺。

1 電力儀表功能設計

此電力儀表主要由電源電路、采樣電路、NB-IoT無線通信電路和主控電路四部分組成。系統以STM32F030為智能電力儀表的 MCU，并以鐵電RC16作為EEPROM。采樣電路以V9203作為計量芯片。采用基于聯發科MT2625芯片平臺的BC26作為NB-IoT無線通信電路的模組。MCU分別通過SPI、I2C與計量芯片和存儲芯片進行通信，MCU與NB-IoT模塊之間通過串口發送“AT”指令進行交互實現數據傳輸。智能電力儀表硬件結構如圖1所示。

圖1 智能電力儀表硬件結構圖

1.1 主控與存儲芯片

本設計所用的主控芯片stm32f030是一款32位的基于ARM Cortex-M0內核的微控制器，該內核采用哈佛架構，工作頻率可達到48 MHz，存儲器可外部擴展。該芯片可工作在2.4～3.6 V的電壓下。在通信接口上，該芯片支持UART、I2C、SPI等通信方式。該主控芯片功能強大、價格低廉、性能穩定、外設資源豐富，非常適合此款電力儀表的設計條件。

選用具有非易失性的鐵電存儲器MB85RC16對數據進行存儲，與傳統的EEPROM相比，MB85RC16的寫入速度更快甚至能夠進行無限次擦寫操作，滿足電力儀表頻繁寫入并保存電能數據的需求。且在掉電瞬間仍然可以保存數據，無需添加超級電容，降低儀表本身硬件成本。

1.2 電量采集電路設計

綜合考慮，單SOC計量芯片架構不適用于功能復雜的電力儀表設計，單MCU方案軟硬件設計復雜，此設計采用單片機加計量芯片的方案，單片機只需要驅動和讀取計量芯片內部寄存器的數據，模數轉換和復雜的計算由計量芯片完成，減少單片機執行的任務。本電力儀表采用的是杭州萬工科技有限公司推出的V9203計量芯片。該芯片內部集成了一個數字信號處理器用于計算處理各電量參數，其計量精度高，有功無功在10 000:1的動態范圍內，全波或基波的有功電能誤差低于0.1%，跳差低于0.05%，能夠測量各相全波或基波的電流電壓的有效值和有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率等。該芯片除提供正常工作模式外，還支持電流預判模式、測量電流有效值模式和深度睡眠模式。并且該芯片支持軟件校表，適用于三相三線或三相四線的應用，其功能如圖2所示。

圖2 計量芯片功能框圖

此芯片電流電壓采集測量管腳能夠承受最大電壓差為±200 mV，通過配置控制寄存器模擬增益與數字增益使得傳感器輸出信號與ADC滿量程信號匹配。模擬信號轉換為數字信號后，通過調整延時改變電流電壓信號之間的相位差。V9203采用計算瞬時功率平均值獲得有功功率。通過將采集到的電壓信號做-90°相移再計算瞬時功率平均值獲得無功功率。有功、無功電能計量采用電能累加模式，是通過芯片內電能累加寄存器獲得[3]。電能累加即將計算得到的數值和寄存器中的電能值相加，新的值存到寄存器中。

1.2.1 電力儀表電流采樣

電力儀表A路電流互感器電流信號采樣電路如圖3所示，B、C相同理。

圖3 電流采樣電路原理圖

采用的電流互感器為ZMCT103Z，額定輸入電流5 A,額定輸出電流5 mA，支持1.2倍長時間輸入，線性度為0.2%，精度為0.4%。A相電流通過電流互感器耦合為對應比例的二次側電流小信號，經過負載電阻R39、R42轉換為mV信號，再經過阻容低通濾波電路處理后接入到計量芯片管腳。

全波電流有效值的計算公式為：

Iarms=PGAdia×PGAia×Aia÷1.185

(1)

基波電流有效值的計算公式為：

(2)

式中PGAdia為A相電流通道的數字增益，PGAia 為 A相電流通道的模擬增益，Aia為A相電流模擬輸入信號的幅度(V)，1.185為基準電壓(V)[4]。

根據上述方法計算得到的是各通道信號的有效值，經過比差校正和二次補償后，存于全波電壓/電流有效值寄存器(R/W)和基波電壓/電流有效值寄存器(R/W)。

1.2.2 電力儀表電壓采樣

電力儀表A相電壓采樣電路如圖4所示，B、C相同理。

圖4 電圧采樣電路原理圖

電壓測量采用電阻分壓方式，經6個串聯的200 kΩ電阻分壓成對應比例的mV信號，再經過由100歐電阻與0.1微法電容組成的低通濾波器濾除干擾信號，最終有用信號輸入到計量芯片V9203的電壓采樣端口。

電壓通道模擬信號的計算公式為:

Ua=PGAua×Aua×sinωi

(3)

式中，PGAua為A相電壓通道的數字增益，Aua為A相電壓模擬輸入信號的幅度(V)。

1.3 顯示功能設計

友好的人機交互顯示界面是電力儀表的重要組成部分，本設計的顯示界面采用256位的斷碼式液晶顯示屏。單片機STM32的GPIO口與液晶顯示模塊HT1622的片選、位選、數據口連接，通過模擬時序的方式進行顯示數據與控制指令的通訊，從而控制液晶顯示屏顯示對應界面與數據。HT1622的顯示程序包括初始化程序、寫數據程序、清零程序、結束時序程序等。液晶顯示芯片電路原理如圖5所示。

圖5 液晶顯示芯片HT1622電路原理圖

1.4 誤差校調功能設計

為解決儀表電子元器件精度問題導致采樣誤差，采用軟件校表的方式獲得儀表與標準源的誤差值，計量芯片V9203根據誤差值計算出校準系數，再將校準系數存入單片機FLASH中。當程序運行時，將校準系數寫入V9203的寄存器中，計量芯片按照配置過的校準系數運行和計算，能夠達到要求的計量精度。

1.5 NB-IoT通信單元

NB-IoT在物聯網領域中是一項新興的技術，其成本低、覆蓋面積廣、支持海量連接，但帶寬低、數據傳輸速度慢、工作頻率較低，適用于各類儀表設備的遠程抄表與智慧管理，很好地解決了儀表數據的遠距離傳輸問題[5]。NB-IoT云管端的組網方式由用戶設備終端、NB-IoT基站、核心網、物聯網云平臺以及行業應用設備構成。NB-IoT設備終端通過空口連接到基站，并通過S1-lite接口與IoT核心網進行連接，將非接入層數據轉發給高層網元處理。IoT核心網承擔與終端非接入層交互的功能，并將IoT業務相關數據轉發到IoT平臺進行處理。IoT平臺匯聚從各種接入網得到的IoT數據，并根據不同類型轉發至相應的業務應用器進行處理[6]。應用服務器是IoT數據的最終匯聚點，根據客戶的需求進行數據處理等操作。NB-IoT的一個突出特點是采集后的數據可以直接上傳到云端，無需通過網關，簡化了部署流程[7]。NB-IoT設備安裝物聯網卡后接入NB-IoT網絡，并通過基站收發信息，再通過核心網連接基站與物聯網云平臺，物聯網云平臺通過運算與處理將最終數據發送到用戶設備終端。NB-IoT的網絡架構如圖6所示。

圖6 NB-IOT網絡架構圖

NB-IoT與目前主流物聯網技術4G、WIFI、GPRS的性能參數比較如表1所示。

表1 當前主流物聯網技術對比

無線通信部分采用移遠的BC26模塊實現通信，相比于4 G模塊通信發送信號瞬間電流需要3 A，2 G通信模塊需要2 A，而BC26僅需0.5 A，減輕了電源電流輸出的要求。BC26是一款低功耗窄帶物聯網(NB-IoT)通信模塊，采用易于焊接的LCC封裝，尺寸只有2.0 mm×15 .8 mm×17.7 mm，支持豐富的外部接口和協議棧，具備OpenCPU的功能同時也可以接入OneNET、EasyIoT、OceanConnect等物聯網云平臺，是物聯網應用領域的合適選擇，其工作溫度范圍在-35～+75 ℃之間，適合電力儀表工作環境[8]。BC26的供電電壓范圍為2.1～3.63 V，本設計采用典型供電電壓3.3 V，模組內嵌USIM接口，支持1.8 V的USIM卡。本設計中單片機與BC26模塊之間通過串口進行數據交互，STM32F030和BC26模塊均使用3.3 V供電，可以直接將BC26模塊的發送和接收管腳連接到單片機的串口對應管腳進行串口通信。BC26提供喚醒狀態、輕休眠狀態和深度休眠狀態3種工作狀態，在省電模式(PSM)狀態下電流僅為3.8微安。NB-IoT模塊BC26電路原理如圖7所示。

圖7 NB-IoT模塊BC26電路原理圖

2 數據上傳至云平臺

本設計通過BC26對數據發送，單片機通過串口發送“AT”指令實現用戶設備與云平臺連接，本方案使用的是物聯網開放平臺OneNET。OneNET是中國移動打造的定位為PaaS服務的物聯網云平臺，在物聯網應用與設備之間搭建完成了高效、穩定、安全的橋梁，其可擴展性的架構解決了大部分的接入難題[9]。該平臺適配常用傳輸協議，使得終端設備快速接入，方便管理。在應用層，OneNET提供了豐富的API，能夠滿足各行各業對應用系統的需求。API作為應用程序接口，由預先定義的一些函數組成。通過這些功能集使得各不同平臺實現數據共享，開發人員在無需深入理解內部細節的情況下能夠訪問例程，調用并獲取數據[10]。OneNET就是這種開放式API，具有設備接入、監控管理、實時控制、數據存儲分析、消息分發等功能，幫助開發者快速構建各種IoT設備。物聯網行業研發人員在OneNET的基礎上可以將重心投入到物聯網終端設備的研發上，而減少在環境搭建上的耗時，縮短研發周期，降低企業運維成本。設計中采用的LwM2M(Lightweight Machine-To-Machine)協議是一種輕量級的M2M協議，主要面向的對象是窄帶物聯網領域下的物聯網應用[11]。LwM2M協議通過引導接口、客戶端注冊接口、客戶管理與服務實現接口、信息上報接口來實現數據的傳輸。BC26接入云平臺的流程如圖8所示。

圖8 BC26接入云平臺的流程

BC26模塊通過使用AT指令采用LwM2M協議對接OneNET云平臺的步驟如下所示：

1)使用AT+CGPADDR=1指令檢查分配的IP地址以獲得默認的PND；

2)使用AT+MIPLCREATE指令創建OneNET通信套件實例；

3)使用AT+MIPLADDOBJ指令添加一個LwM2M對象

4)使用AT+MIPLOPEN指令發送注冊請求；

5)使用AT+MIPLOBSERVERSP指令回應觀察資源的反饋；

6)使用AT+MIPLDISCOVERRSP指令響應發現請求；

7)使用AT+MIPLNOTIFY指令發送數據到OneNET平臺；

8)使用AT+MIPLUPDATE指令發送更新數據請求。

3 實驗

3.1 儀表電量參數測量結果

實驗使用精度為0.005%三相標準源(STR3030A)，在常溫狀態下對電表的電流、電壓、有功功率、無功功率等電量進行測量。

其中計算誤差的公式為：誤差=(施加值-測量平均值)/額定值。

3.1.1 電流有效值精度分析

由于三相電流采樣原理相同，這里對A相電流數據進行分析。在電壓相同的情況下，選取電流分別為1A、2A、3A、4A、5A時進行測量。電流參數測試結果如表2所示。

表2 電流有效值的實驗測量結果與誤差

3.1.2 電壓有效值精度分析

電壓的測量和電流一樣只選用A相數據分析，結合電力儀表在實際情況下測量的電壓，選擇100 V、200 V、220 V、380 V的結果進行分析。電壓參數測試結果如表3所示。

表3 電壓有效值的實驗測量結果與誤差

3.1.3 基本電量參數分析

基本電量參數分析同樣選取A相測量結果，對儀表A相施加220 V電壓，5 A電流，夾角60°來測量有功功率、無功功率、視在功率和功率因數。電量參數測試結果如表4所示。

表4 電量參數的實驗測量結果與誤差

3.2 電力監控云平臺功能測試

本設計以中國移動物聯網交換平臺作為數據交互中心，儀表測量的電量參數設置為每隔30 s上傳至云平臺一次。服務器由API接口將電量數據推送到OneNET云平臺，數據在云平臺轉發和存儲，實現了遠程監控功能的物聯網架構，用戶可以在前端網頁上進行實時監控，且歷史數據不會丟失。此外，在OneNET云平臺添加報警觸發器，當儀表測量并上傳至云平臺的電量參數高于或低于設定閾值會進行報警。如圖9所示云平臺以表盤的方式實時顯示當前時刻的電量，以折線的方式展示實時用電情況。

圖9 電力監測云平臺

4 結束語

本文設計的基于窄帶物聯網技術的電力儀表，具有對電流、電壓、頻率、有功功率、功率因數等同時進行測量的功能，根據試驗測試結果分析精度達到0.5級，在工業計量等領域中應用，可替代多個傳統的模擬或數字測量儀表，大大降低系統成本。同時可實現低功耗、遠距離的無線傳輸，避免了現場布線，滿足儀表復雜的現場安裝環境的要求。采用NB-IoT技術可直接接入核心網，無需另外安裝網關設備，提高系統安全性。此方案采用模塊化設計，便于日后升級改造。在此基礎之上搭建智慧監測云平臺，能夠準確、快速地獲知各個用電環節的電量數據，實現數據可視化，有效地進行用電量分析、負荷管理、運行狀況監測，在工業物聯網迅猛發展的前景下具有較為廣泛的應用。