印 姍，王 遠(yuǎn)，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(tǒng)的無線電力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

印 姍，王 遠(yuǎn)，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(gè)用電設(shè)備或用電用戶的電力使用情況進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測，從而對電力評估、管理起到基礎(chǔ)性作用，設(shè)計(jì)了一種基于Contiki嵌入式操作系統(tǒng)的無線電力監(jiān)測系統(tǒng)，以6LoWPAN作為無線通信協(xié)議；該系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、接入節(jié)點(diǎn)、GPRS模塊及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心構(gòu)成；介紹了基于TV3154、TA5212及信號調(diào)理濾波網(wǎng)絡(luò)、ADE7653電力測量、MSP430F1611主控及CC2420射頻的終端節(jié)點(diǎn)、接入節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)方法；介紹了基于Contiki，結(jié)合6LoWPAN無線協(xié)議及I2C、UART等串口通信協(xié)議的終端節(jié)點(diǎn)、接入節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)方法；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)對電壓、電流、功率的測量誤差均保持在2% 以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)組網(wǎng)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的無線通信距離可達(dá)80 m。

電力監(jiān)測；嵌入式操作系統(tǒng)；Contiki；6LoWPAN

0 引言

電力監(jiān)測系統(tǒng)的建立為電力評估管理工作提供可靠的數(shù)據(jù)支持電能消耗分布在社會生產(chǎn)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，但目前并沒有一種經(jīng)濟(jì)有效的手段對各用電設(shè)備或用戶的用電信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和傳輸。而電力數(shù)據(jù)量急劇增加，應(yīng)盡量減少人工抄錄[1]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及嵌入式技術(shù)的發(fā)展，利用無線通信技術(shù)對電力信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化采集、傳輸與管理是電力監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。本文提出一種基于嵌入式操作系統(tǒng)的無線電力監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)﹄娔苓M(jìn)行分布式分項(xiàng)監(jiān)測，并進(jìn)行無線、網(wǎng)絡(luò)化傳輸管理[2-3]。

常用的無線通信協(xié)議包括ZigBee協(xié)議、Bluetooth協(xié)議、Wi-Fi協(xié)議、6LoWPAN協(xié)議等。其中，ZigBee協(xié)議[4-6]和6LoWPAN協(xié)議功耗低，適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，而6LoWPAN協(xié)議引入了IPV6協(xié)議，對每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配IP地址，管理清晰，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以訪問互聯(lián)網(wǎng)，增加了節(jié)點(diǎn)數(shù)量。這也是應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)對用電設(shè)備電力參數(shù)監(jiān)測，測量結(jié)果滿足一定的精度要求，基于無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)短距離低速自組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，被測量參數(shù)能夠準(zhǔn)確地傳輸?shù)奖镜赜?jì)算機(jī)上，或者與GPRS通信主干網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)融合，測量結(jié)果能夠傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行顯示與存儲。如圖1所示為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備電力信息的監(jiān)測并將數(shù)據(jù)傳送至路由節(jié)點(diǎn)或接入節(jié)點(diǎn)(當(dāng)網(wǎng)絡(luò)較小時(shí)，將忽略路由節(jié)點(diǎn))。接入節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向本地計(jì)算機(jī)傳輸或者通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

終端節(jié)點(diǎn)由電力參數(shù)測量模塊、主控及無線射頻模塊構(gòu)成。路由節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)相同。接入節(jié)點(diǎn)由主控及無線射頻模塊構(gòu)成。

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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

組成無線電力監(jiān)測系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)由電力參數(shù)測量模塊、主控及無線射頻模塊構(gòu)成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵難點(diǎn)是這兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵技術(shù)是低功耗設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)、通信接口設(shè)計(jì)。

2.1 電力參數(shù)測量模塊

由于被測電壓、電流范圍較高，不能直接進(jìn)行測量，需要轉(zhuǎn)換為低量程的電壓信號。常用的電流轉(zhuǎn)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(qiáng)、安全性高的優(yōu)點(diǎn)；常用的電壓轉(zhuǎn)換方案包括電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、電壓互感器等，比較而言，后者的抗干擾能力更強(qiáng)。電力參數(shù)測量模塊結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成低電壓信號，經(jīng)過如圖3所示的分壓濾波調(diào)理電路之后接入芯片ADE7953進(jìn)行測量。前端測量對象為強(qiáng)電信號，后端測試電路為弱電電路，為防止干擾，二者之間進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)。為了降低功耗，AD轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)據(jù)隔離芯片均使用低功耗器件。

圖2 電力參數(shù)測量模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 調(diào)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(jì)算機(jī)、電力參數(shù)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(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)也是該模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。主控及無線射頻模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。為滿足低功耗設(shè)計(jì)，主處理器、射頻芯片等關(guān)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(jī)MSP430F1611。無線射頻芯片采用CC2420。設(shè)計(jì)了USB電路，與計(jì)算機(jī)通信；另外，利用單片機(jī)自帶的UART、I2C及IO擴(kuò)展接口與其他模塊通信。

圖4 主控及無線射頻模塊結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在VMWare平臺上安裝Contiki操作系統(tǒng)程序安裝包，對終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)、接入節(jié)點(diǎn)程序開發(fā)后，下載到主控芯片MSP430F1611上。下面介紹此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

上電初始化之后首先申請加入網(wǎng)絡(luò)，如果成功入網(wǎng)，進(jìn)行電力參數(shù)測量，將測量結(jié)果通過6LoWPAN無線通信協(xié)議傳輸?shù)铰酚?接入節(jié)點(diǎn)。電力參數(shù)測量部分軟件執(zhí)行I2C通信。

3.2 接入節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

接入節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖6所示。接入節(jié)點(diǎn)將完成測量數(shù)據(jù)的下行接收以及上行傳輸，傳送到本地計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心或者GPRS模塊，上行傳輸都使用UART串行通信協(xié)議。

4 測試結(jié)果

由于實(shí)驗(yàn)條件有限，本文使用間接法開展實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)性能。間接法的原理是：被測信號經(jīng)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(guān)系。利用信號發(fā)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(yàn)證系統(tǒng)對電力參數(shù)的測量性能[7]。

圖6 接入節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

對電壓、電流測量結(jié)果表1、表2所示。相對誤差在2%以內(nèi)。

表1 電壓測量結(jié)果

表2 電流測量結(jié)果

另外，對60W燈泡功率進(jìn)行測量，測量誤差小于2%。對系統(tǒng)組網(wǎng)性能測試，系統(tǒng)組網(wǎng)成功。對6LoWPAN通信距離測試，通信距離可達(dá)80m。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于Contiki嵌入式操作系統(tǒng)的無線電力監(jiān)測系統(tǒng)，以6LoWPAN作為無線傳輸協(xié)議，詳細(xì)介紹了終端節(jié)點(diǎn)、接入節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，其中，終端節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)電壓、電流、功率等電力參數(shù)監(jiān)測，并將測量數(shù)據(jù)通過6LoWPAN無線協(xié)議傳輸?shù)铰酚晒?jié)點(diǎn)或接入節(jié)點(diǎn)，組件無線通信網(wǎng)絡(luò)，接入節(jié)點(diǎn)能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜赜?jì)算機(jī)或通過GPRS模塊融合移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)及因特網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端。系統(tǒng)對電壓、電流、功率的測量相對誤差在2%以內(nèi)。 能夠?qū)崿F(xiàn)組網(wǎng)。6LoWPAN通信距離可達(dá)80m。

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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(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)03-0022-02

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

TP216

A