基于STM32的防盗电系统设计*

张 玲，李经章，何 伟

(重庆大学通信工程学院，重庆400044)

0 引言

供电局通常在电网上装配了大量的配电柜来保障供电，一些不法分子在配电柜的进线线路引线并挂接电器工作，由于所消耗的电流不流经电表，从而不能为其计费，给供电局造成了直接经济损失。

针对实时防盗电的功能要求，本文设计了以STM32单片机为核心的防盗电系统［1］，采用ATT7022芯片测量电力线路的电流，对测量结果进行分析，采用浮动阈值的方法，通过CC1101进行433 MHz无线通信，开发了测量精度高、安装方便、可有效防止盗电情况发生的监控系统。

1 防盗电系统方案设计

防盗电系统功能通过2个设备来实现，分别是电流测量设备和主监控设备。电流测量设备使用ATT7022测量配电柜进线线路的电流，将采得的电流值通过CC1101无线通信发给主监控设备;主监控设备读取电表电流，并将其和电流测量设备所测电流值进行比较，当超过规定阈值时认为有盗电情况发生，点亮相应信号指示灯并控制继电器

切断电力传输。防盗电系统结构图如图1所示。

图1 防盗电系统结构图Fig 1 Structure diagram electricity anti-theft system

2 防盗电系统硬件设计

2.1 监控主设备硬件设计

监控主设备和电流监控设备都以STM32F101C6单片机为核心，该芯片是一种基于Cortex—M3 ARM内核、高性能、低功耗、低成本的微控制器，集成32 kB FLASH和6 kB SRAM，工作频率达 36 MHz［2］，片上包含了 USART，SPI，ADC，定时器等丰富外设，可以满足本系统使用。

STM32通过SPI协议控制CC1101芯片进行433 MHz无线通信，TI 公司提供了该芯片外围电路包含射频部分的参考设计，参考该设计可迅速搭建该芯片所需的外部电路。

设计中采用浙江松鹤电表公司生产的DT(S)SF型电子式电表。监控主设备中利用单片机USART外设外接SP3485EN芯片进行电平转换，引出485端口和电表进行通信［3］，通信规约支持《DL/T645—1997多功能电能表通信规约》。

此外，利用STM32的通用输入输出口连接3个不同颜色LED进行设备状态指示，外接S9014三极管扩流控制继电器的通断从而控制电力传输。

2.2 电流测量设备硬件设计

电流测量设备安装在配电柜的进线线路上(通常在电线杆上)，通过ATT7022芯片实现对电力线路电流的测量，并将采得的电流参数通过CC1101模块发给监控主设备。

2.2.1 电源模块

由于ATT7022电力测量芯片使用5 V电压而STM32使用3.3 V电压，且设备需采用电池供电，设计采用了TPS54283双开关电源芯片为系统同时提供5 V和3.3 V两路电源［4］。该芯片具有较高的转换效率的同时可提供两路高达2A的电流输出，采用小体积HTSSOP14封装，适用于便携式或电池供电的多电源系统中。

2.2.2 ATT7022 模块

为实现对电力线路电流的测量，电流测量设备采用了ATT7022芯片［5］。该芯片是一种高精度三相电能专用计量芯片，集成了六路二阶逐次逼近型ADC、参考电压电路以及能量、有效值、功率因素等参数的数字信号处理电路。ATT7022通过SPI总线和STM32之间进行计量参数和校表参数的传递，并提供了SIG管脚用来指示芯片的工作状态。

由于ATT7022和STM32分别采用了不同的工作电压，通过SPI进行连接时需要进行电平转换，考虑到SPI通信速率不高，为简化电路设计，ATT7022的输出信号采用电阻分压与STM32相连，ATT7022的输入信号则直接与STM32的输出管脚相连。设计中将芯片的SIG管脚经过电阻分压与单片机相连，以方便检查芯片工作状态。

ATT7022进行电流参数测量时需要外部连接电流互感器，根据芯片数据手册的要求，采用了力创公司生产的LCTA21CE(1.5 A/5 mA)型电流器互感器。为了保证测量精度，电流采样网络中的电阻器均采用1%的精度。电流采样网络的原理图如图2所示。

3 电力监控系统软件设计

3.1 监控主设备程序设计

监控主设备每隔一段时间(实际设定为10 min)轮询电流测量设备测到的电流参数，得到后读取电表测量的电流值并进行比较，当超过一定阈值后即认为有盗电情况发生，控制继电器断开电力传输，并点亮红色LED报警，若无线通信出现故障，则点亮黄色LED指示无线通信故障，系统工作状态正常，则点亮绿色LED。

图2 电流采样网络原理图Fig 2 Principle diagram of current sampling network

3.2 433 MHz无线通信程序设计

单片机通过读写CC1101寄存器实现433 MHz无线通信数据传输［6］。监控主设备在与电流测量设备通信时作为主设备。由于无线信道相对不稳定，设计两设备之间的无线通信时加入了简单的出错重传机制，若重传超过5次仍不成功，则判定出现通信故障。为避免外部433 MHz无线设备对系统造成干扰，设计了简单的帧格式，如表1所示。数据包为20个字节，帧头用来区别其他无线设备传输数据包，监控主设备发至电流测量设备的数据包中方向字节为0x80;反之，为0x08，每次通信可传输16个字节测量数据。

表1 433 MHz无线通信帧格式Tab 1 Format of 433 MHz wireless communication

3.3 电流测量设备程序设计

由于电流测量设备采用干电池供电，软件设计中着重考虑了低功耗性能，通过使STM32单片机在无查询帧收到时睡眠降低单片机功耗，延长系统工作时间。上电后必须对ATT7022进行校正，具体校正流程为复位ATT7022、写校表寄存器值、等待SIG信号电平变高(ATT7022正常工作)。校表寄存器值按以下方法计算确定(电流值单位为安培):

当电流校表寄存器值Igain=0时，从标准表(设计中使用数字式电表)读到的电流值为Ir，电流有效值寄存器的值为Datal。已知:实际输入电流值Ir;实测的电流值Irms=DataI×210÷224。计算公式 Igain=Ir÷Irms－1;

实际使用时将通过实验计算好的校表寄存器的值存储在程序中，上电后即对ATT7022进行校正，校正后进入休眠状态，等待监控主设备查询测量值。电流测量设备的软件流程图如图3所示。

4 测试结果

实验中着重对ATT7022的测量精度进行了测试，实际电流值为电表读到的电流值。实验中在实验室以CRT显示器、电暖气、电热水器等作为负载，在0～6 A范围内选取几组值进行了测试，测试结果如表2所示。

图3 电流测量设备软件流程图Fig 3 Flow chart of software of current measuring equipment

表2 电流测量实验结果Tab 2 Test result of current measuring

从实际测量数据可以看出:ATT7022测量精度较高，当电流小于0.5A时不存在测量误差，当测量电流较大时会产生微小的误差，且测量误差不超过1%，可以满足实际应用要求。

针对其误差有随着测量值不断增大而增大的特点，程序中采用了浮动阈值，具体做法是电流测量值在0～5 A之间时以0.1A为阈值，当电流测量值在5～10A时采用0.2A作为阈值，依次类推，每一个5 A区间阈值增加0.1 A，保证正常供电的前提下实现良好的监控效果。

5 结束语

本文根据防盗电的功能需求，以两片STM32单片机为核心，采用ATT7022测量电力线路电流，通过CC1101进行无线通信，设计了监控主设备和电流测量设备，实现了系统防盗电功能。经实际使用证明:系统工作正常稳定，能够在盗电情况发生时切断电力传输，有效防止盗电情况发生，满足了系统设计的性能要求。

［1］季 力.基于STM 32芯片的电参数测量与数据传输［J］.自动化与仪器仪表，2010(3):137－139.

［2］喻金钱，喻 斌.STM32F系列ARM Cortex—M3核微控制器开发与应用［M］.北京:清华大学出版社，2011:4.

［3］刘有珠，李舒亮，朱杰斌.基于GPRS的低压配电网实时管理系统［J］.单片机与嵌入式系统应用，2010(12):43－46.

［4］Texas Instruments Incorporated.TPS54283 datasheet［Z］.Dallas:TI Inc，2007.

［5］高 涛，谭志强，李开成.基于ATT7022和CAN总线的交流数据采集系统设计［J］.华北电力技术，2006(4):4－6.

［6］童亚钦，纪春国.基于CC1101的分布式节能测控网络设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2009，29(4):131－134.