一種精確的電能測(cè)量物聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳德富，劉小湖，邱寶象，吳華君，屈亮亮

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023，2.萬向錢潮股份有限公司，浙江 杭州 311215）

0 引 言

目前，“碳達(dá)峰”和“碳中和”已成為我國重要的戰(zhàn)略發(fā)展方向，其中能源的合理分配和有效利用是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段[1]。電能是當(dāng)前社會(huì)中重要的能源表現(xiàn)形式，它在為生產(chǎn)生活帶來便利的同時(shí)，也面臨著巨大的浪費(fèi)。因此，如果能監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)用電情況，那么就能進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)控，從而避免電能浪費(fèi)。然而，由于各種用電設(shè)備分布廣泛，導(dǎo)致獲取每個(gè)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的精確電能數(shù)據(jù)非常困難，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)則成功解決了這一難題，利用廉價(jià)的物聯(lián)網(wǎng)模組和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，方便人們輕松獲得設(shè)備運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并在后續(xù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，制定高效的電能分配方案。

針對(duì)上述關(guān)鍵問題，目前已有大量學(xué)者進(jìn)行了研究。吳玉鵬等人針對(duì)高桿燈照明系統(tǒng)的電能浪費(fèi)問題，使用計(jì)量芯片CS5460A對(duì)電能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過ZigBee模組進(jìn)行無線傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光亮度的智能控制[2]。范大勇設(shè)計(jì)了一種基于STM32和ATT7022EU的電能測(cè)量系統(tǒng)，但該方案通過RS 485總線傳輸數(shù)據(jù)，無法滿足無線傳輸?shù)男枨骩3]。黃豐磊等人設(shè)計(jì)了基于STM32和LabVIEW的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，但該方案只適用于現(xiàn)場(chǎng)電參數(shù)采集，沒有考慮到遠(yuǎn)程測(cè)量的場(chǎng)景[4]。鄭爭兵等人設(shè)計(jì)了一種基于STM32的高精度電能采集系統(tǒng)，使用WiFi模組將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器[5]。但在實(shí)際場(chǎng)景中，WiFi網(wǎng)絡(luò)并沒有實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋，因此該方案不能被廣泛部署。為了克服上述方案存在的問題，文中設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT和STM32的精確電能測(cè)量物聯(lián)系統(tǒng)，使用計(jì)量芯片RN8209進(jìn)行設(shè)備用電功率的精確測(cè)量[6]。采用NB-IoT實(shí)現(xiàn)無線通信，NB-IoT由于覆蓋范圍廣、占用帶寬小、成本低，因此能很好解決設(shè)備的部署問題，在能源領(lǐng)域的應(yīng)用研究中非常重要[7-8]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心硬件主要由電能采集電路組成。使用電壓互感器和電流互感器對(duì)實(shí)際電壓、電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換。RN8209芯片對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓、電流進(jìn)行采樣，然后芯片將采樣數(shù)據(jù)通過SPI總線傳輸?shù)絊TM32處理器。由處理器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到實(shí)際的電流有效值和電壓有效值。最后，處理器將數(shù)據(jù)通過NB-IoT發(fā)送到阿里云。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 電壓、電流互感電路設(shè)計(jì)

由于用電設(shè)備的運(yùn)行都是由220 V交流電供電，對(duì)于高電壓、大電流信號(hào)，RN8209芯片無法進(jìn)行直接測(cè)量，通過互感器可以將該類信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成芯片可以測(cè)量的范圍。除了起到感應(yīng)的作用外，互感器還具有隔離作用，能夠有效抑制交流電信號(hào)對(duì)芯片工作電路的干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。系統(tǒng)采用ZMPT107電壓互感器對(duì)220 V交流電壓實(shí)現(xiàn)1∶1轉(zhuǎn)換。電壓互感電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電壓互感電路

為了將用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為芯片可以測(cè)量的范圍，采用精密電流互感器TA1410實(shí)現(xiàn)對(duì)電流進(jìn)行5 A∶2.5 mA的比例轉(zhuǎn)換。電流互感電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電流互感電路

1.2 RN8209傳感電路設(shè)計(jì)

RN8209是一款單相多功能專用計(jì)量芯片，能測(cè)量電流有效值、電壓有效值、有功功率及無功功率等電能參數(shù)；同時(shí)提供兩路獨(dú)立的有功功率有效值、電壓有效值、線頻率和過零中斷；支持全數(shù)字增益、相位和直流偏置校正，芯片支持SPI和UART兩種通信接口；內(nèi)嵌電源監(jiān)測(cè)電路，保證上電和斷電時(shí)芯片工作的可靠性。因此，選用RN8209芯片作為系統(tǒng)電能計(jì)量傳感器可滿足設(shè)計(jì)要求。RN8209傳感電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 RN8209傳感電路設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分主要由電能采集軟件設(shè)計(jì)、NB-IoT初始化軟件設(shè)計(jì)和NB-IoT連接云平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)組成。

2.1 電能采集軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先由STM32處理器通過SPI總線向RN8209芯片的特殊命令寄存器發(fā)送寫使能指令，之后，再向特殊命令寄存器發(fā)送復(fù)位指令對(duì)芯片進(jìn)行軟件復(fù)位。復(fù)位成功后，為提高測(cè)量的精確性，還需校準(zhǔn)電流有效值寄存器。校準(zhǔn)后關(guān)閉芯片的寫使能功能，初始化流程結(jié)束。在主程序中讀取芯片電流有效值寄存器和電壓有效值寄存器中的值，再乘以對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)，得到負(fù)載設(shè)備運(yùn)行時(shí)真實(shí)的電壓和電流有效值。通過實(shí)驗(yàn)得出，電流有效值的比例系數(shù)約為0.000 6，電壓有效值的比例系數(shù)為0.000 12。電能采集端的軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 電能采集軟件設(shè)計(jì)流程

2.2 NB-IoT初始化軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，STM32處理器通過串口發(fā)送特定AT指令給NB-IoT模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的初始化配置。主要過程如下：

（1）處理器發(fā)送字符串“AT ”，若模塊返回的字符串為“OK ”，則說明模塊響應(yīng)正常；若為“ERROR ”，則說明模塊工作異常，初始化失敗。

（2）處理器通過串口發(fā)送字符串“AT+CFUN=1 ”，打開模塊的射頻功能。

（3）處理器發(fā)送字符串“AT+CIMI ”，該指令會(huì)查詢模塊的SIM卡號(hào)，如果模塊返回“ERROR ”，則說明未插入SIM卡或者模塊異常，初始化失敗。

（4）處理器發(fā)送字符串“AT+CGATT=1 ”，該指令是配置模塊的自動(dòng)入網(wǎng)指令，若返回“OK ”，則說明模塊成功連接基站。

（5）處理器發(fā)送字符串“AT+CGPADDR ”，該指令會(huì)獲取基站分配的IP地址。如果模塊返回“OK ”，則說明成功獲取IP地址，入網(wǎng)成功，否則模塊初始化失敗。

2.3 NB-IoT連接云平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

模塊入網(wǎng)初始化成功后，就可以對(duì)模塊進(jìn)行下一步配置使模塊連接到云平臺(tái)。系統(tǒng)使用NB-IoT模塊內(nèi)置的消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport,MQTT）連接阿里云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，MQTT作為一種輕量級(jí)消息傳輸協(xié)議，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中[8]。模塊連接阿里云前首先需要在阿里云上創(chuàng)建對(duì)應(yīng)支持MQTT協(xié)議的設(shè)備，創(chuàng)建成功后會(huì)得到3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：產(chǎn)品密鑰（ProductKey）、設(shè)備名稱（DeviceName）和設(shè)備密鑰（DeviceSecret）。處理器結(jié)合這3個(gè)參數(shù)，向NB-IoT模塊發(fā)送特定的AT指令，即可與云平臺(tái)建立連接。連接過程如下：

（1）首先，處理器需要對(duì)基本的連接參數(shù)進(jìn)行配置，參數(shù)為創(chuàng)建設(shè)備時(shí)得到的關(guān)鍵參數(shù)，指令為“AT+QMTCFG="ALIAUTH"，0，ProductKey，DeviceName，DeviceSecret ”。

（2） 處 理 器 發(fā) 送 指 令“AT+QMTOPEN=0，"203.107.45.14"，1883”，模塊通過該指令連接阿里云服務(wù)器對(duì)應(yīng)端口，與服務(wù)器建立連接。

（3） 處 理 器 發(fā) 送 指 令“AT+QMTCONN=0，DeviceName”，通過該指令實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)上所創(chuàng)建的設(shè)備對(duì)接，該指令執(zhí)行成功后，云平臺(tái)上創(chuàng)建的設(shè)備會(huì)顯示為在線。設(shè)備在線后，即可將傳感器采集的數(shù)據(jù)封裝為JSON格式，然后發(fā)送給云平臺(tái)。在云平臺(tái)上可以觀察到模塊實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)主要由計(jì)量芯片RN8209、STM32處理器和NB-IoT模塊構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將零線和火線接在電路板的兩個(gè)接線端子上，經(jīng)電壓互感器和電路互感器連接到計(jì)量芯片的對(duì)應(yīng)引腳，系統(tǒng)接入白熾燈作為電路負(fù)載。計(jì)量芯片的SPI通信接口與STM32的管腳相連，處理器使用GPIO口模擬SPI工作時(shí)序?qū)崿F(xiàn)與計(jì)量芯片通信，NB-IoT模塊與處理器的串口2管腳相連。經(jīng)上電測(cè)試后，各模塊工作正常，能實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載設(shè)備的電參數(shù)測(cè)量和數(shù)據(jù)上傳。系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物

接通220 V交流電后，系統(tǒng)對(duì)負(fù)載設(shè)備工作時(shí)的電壓電流有效值進(jìn)行測(cè)量。在主程序中每10 s測(cè)量一次負(fù)載當(dāng)前的電壓和電流有效值，將數(shù)據(jù)通過串口顯示在PC端，并控制NB-IoT使用MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至阿里云平臺(tái)。其中，云平臺(tái)上顯示的電流有效值的變化曲線如圖7所示?？梢钥闯?，系統(tǒng)各部分工作正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖7 云平臺(tái)顯示數(shù)據(jù)

圖7中電流的變化曲線表明了電路中負(fù)載的工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，電路中未接入負(fù)載，測(cè)試的電流有效值在0附近。然后接入220 V/3 W的白熾燈，此時(shí)負(fù)載正常工作，電流顯示約53 mA。斷開白熾燈后，電流有效值回到0附近。最后再接入220 V/5 W的白熾燈，顯示的電流有效值約65 mA。

4 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電能監(jiān)測(cè)物聯(lián)系統(tǒng)通過RN8209計(jì)量芯片對(duì)負(fù)載的工作電流和電壓實(shí)現(xiàn)了精確采集，并使用NBIoT模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用電設(shè)備使用狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。適用于各種場(chǎng)景下的用電設(shè)備電能數(shù)據(jù)采集，為后續(xù)優(yōu)化電能分配策略提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。相信這類電能監(jiān)測(cè)物聯(lián)系統(tǒng)未來將在能源優(yōu)化分配中發(fā)揮關(guān)鍵作用，實(shí)現(xiàn)能源的有效利用和智能分配[9-10]。