智能电能表温升检测无线传感节点设计

赵 波，马宇明，赵 敏

（1．江苏省计量科学研究院，南京 210007； 2．南京航空航天大学自动化学院，南京 210016）

智能电能表温升检测项目按照国家标准G B/T 17215.211-2006（等同国际标准IEC 62052-11-2003）中7.2条[1]，具体要求为“仪表每一电流线路通以额定最大电流，每一电压线路（以及那些通电周期比其热时间常数长的辅助电压线路）加载1.15倍参比电压，外表面的温升在环境温度为40℃时应不超过25K。在2h的试验期间，仪表不应受到风吹或直接的阳光照射。”

目前测量智能电能表温升有2种基本方法[2]。一种是通过平面红外热像仪测量，但平面热像仪是非接触式的，存在较大误差，且不能长期在40℃时，无法对多表位进行同时测量；另一种方法是通过接触式温度计（如温度巡检仪）等进行测量，将多条温度传感器与智能电能表表面粘贴连接，进行实时测量，这样带来的问题是对多表位多温度测量点测量，有很多的连线，测量过程十分繁琐。

针对以上问题，我们对智能电能表温升项目进行研究，研发了一种基于无线传感网技术的智能电能表温升自动检测系统（图1）。具体检测过程为：将多块（图中50块）智能电能表安装在处于恒温恒湿室（箱）内的电能表检验支架上，在每块电能表侧放置1个温度无线传感节点，该节点至少有6路温度传感通道，将电能表每个面上至少粘贴1个温度传感器，电能表安装时注意背离恒温恒湿室（箱）吹风口，将恒温恒湿室（箱）内的温度升高至40℃，待仪表表面温度稳定后，使用外部的智能电能表检验装置给多表位的被测电能表施加标准中规定的额定最大电流、1.15倍参比电压，试验时间2h，通过外置无线接收装置实时传输数据给计算机，实时观测内部电能表表面温度变化，如果超过25K（即25℃），则该项检测结果为不合格。

1 节点总体设计

智能电能表温升自动检测系统主要是由带温度传感器的无线传感节点组成，是一种典型的无线传感网络在工业场合中的应用。本项目中的无线传感网络节点的设计需要满足以下要求：

1）温度测量范围(室温～+100)℃、测量精度±1℃；

2）传感节点至少能够采集6路温度通道的信号，采样周期不长于3秒；

3）无线传感节点需要在采集到数据后的1秒内将数据发送到中心节点；

4）同时检测多块（如50）电能表的温升数据，无线数据的通讯需稳定可靠；

5）无线传感终端节点由电池供电，无线通讯网络必须具有相对较低的功耗；

6）在电池电量过低时，用户不需要取下电池可直接对电池进行充电；

7）当温度传感器损坏时，传感器的更换需简单方便。

2 节点结构设计

无线传感节点设计的要求之一就是在满足用户的需求同时具有良好的拓展性，终端节点的硬件结构如图2所示，终端节点的硬件电路由MCU、无线通讯模块、LCD显示模块、Flash存储模块、温度采集模块、电量采集模块、DC-DC模块、充电模块构成。MCU作为终端节点的核心，控制整个终端节点的正常运行；无线通讯模块作为终端节点和协调器节点之间通讯的桥梁，对整个无线网络的正常通讯运行提供了硬件支持。LCD显示单元用于显示终端节点的工作状态，如温度数据、锂电池电量、系统异常状态等，考虑终端节点的能量效率，系统正常运行时LCD处于关闭状态；Flash存储单元主要用于存储终端节点的地址配置，使得终端节点与对应电能表在逻辑上相绑定；温度采集模块主要用于采集电能表的温度；终端节点的能源都来源于锂电池，考虑到单节锂电池的电压一般在3.6V-4.2V，为了给电路提供一个稳定的电压，则需要一款低压降的DC-DC直流稳压模块；电量采集模块的主要功能是测量终端节点锂电池电量，方便用户对节点电池电量的观测；USB接口单元在终端节点中具有双重作用，对锂电池充电单元提供能量来源和为终端节点的配置提供接口。

终端节点的软件结构包括由中断程序组成的前台程序和由轮询系统组成的后台程序两部分组成。前台程序具体为无线射频（RF）接收中断程序、USB接收数据中断程序、定时器T3中断程序、P0口外部中断程序和P1口外部中断程序。在终端节点中，USB接口主要用于接收检测软件的地址配置；RF接收中断的主要作用为接收应答帧、数据帧和命令帧，并将RF接收的数据从寄存器读取到数据缓冲区中，供后台程序处理；定时器T3中断程序主要用于给温度的采集提供周期信号。前台程序通过掩码的方式提供相应的程序状态标志位供后台轮询系统查询，轮询系统通过判断程序状态标志位，进而执行相应的程序。

图1 多表位智能电能表温升检测系统示意图

图2 终端节点硬件结构

3 关键技术

3.1 无线通讯电路设计

节点硬件平台的核心是一款带有MCU频段为2.4GHz的射频SOC芯片CC2531f256。MCU和射频电路设计原理图如图3所示，该电路的设计主要包括电源电路，射频电路和处理器接口电路三部分。

CC2531f256的能量来自于底板提供的3.3V电压，但需要对这一电压进行稳定性处理，首先电源经过一个值为1mH的电感，以减少交流、高频信号的干扰，同时CC2531f256的8个电源引脚分别连接了100nf的电容以保证电源电压稳定性。CC2531f256的射频信号采取差分信号，其最佳负载是69+j29Ω，阻抗匹配电路需要根据这一数值进行相应的调整，采用50Ω的单鞭天线，阻抗匹配电路采用的巴伦电路，巴伦电路是由成本较低的电容和电感组成。处理器接口电路给母板提供了USB接口和GPIO口，以完成USB通讯、温度采集和电池电量采集等功能，在USB接口电路中，通过驱动能力为20mA的GPIO口P1_0，驱动1.5K的上拉电阻，以通知上位机对USB设备的巡检和识别，同时在USB的USB_N与USB_P中都分别连接了47pF的电容和阻值为33Ω的电阻，以保USB信号的质量。

图3 MCU 和射频电路设计原理图

在无线通讯模块的PCB绘制中，最大的困难来自于巴伦电路的绘制，巴伦电路PCB的设计，直接影响到无线通讯的性能。除了巴伦电路的设计对外，影响无线通讯模块射频性能另外一个重要因素就是PCB的电磁兼容性（EMC）设计。电能表温升检测系统无线通讯模块的EMC设计主要考虑了以下几个方面：

1）保证地线的完整和均匀性。在布线时尽量将大块的地线区域进行分割从而使得地线在电路板上能够均匀分布，顶层板与底层的地线之间办采用大量过孔连接；

2）巴伦电路附近不布线，以减少普通信号与射频信号之间的相互干扰；并且构成巴伦电路的电容和电感都采用0402的封装，以较少封装尺寸对射频信号的影响；

3）采用的32MHz的晶振下方有地线并且尽量接近射频芯片，以提高晶振的精度；

4）信号线和电源线都需进行处理，相邻信号线的粗细相同并且走线平行，电源线通过加粗处理并且与滤波电容和电感连接的方式以保证电源信号的质量。

3.2 温度采集电路设计

电能表温升检测系统中温度传感器采用的是数字芯片DS18B20，其测量范围、测量精度、测量速度和重复性都可以满足本系统的需求[3]。DS18B20虽为一款单总线设备，但是本系统中使用的6块DS18B20并没有挂在一根总线下，而是分别于MCU的6个GPIO口相连接，主要是考虑到在系统的实际使用过程中，传感器的损坏而导致的更换不方便的问题。如果6块DS18B20都使用同一个GPIO口进行控制，其中有一路传感器损坏，用户将无法辨别具体是哪一路传感器发生异常，因为6块DS18B20连接在一根总线上会增加传感器更换的难度。在硬件设计中，DS18B20与MCU的连接如图4所示，DS18B20采用标准的3线式接法。在对DS18B20供电时，采用了一个MOSFET开关器件来控制DS18B20的供电，以降低DS18B20不工作时的能量损耗。

图4 温度测量电路设计

4 结论

本文介绍了一种智能电能表温升自动检测系统软件的背景，介绍了检测过程，并详细阐述了系统无线传感节点设计，节点PCB版图见图5，实物图见图6，分析了节点设计关键技术。目前，该系统已应用于本实验室，应用情况良好。该系统的应用简化了检测过程，减少了人工干预，大大提高了检测自动化程度。

图5 节点PCB 版图

图6 节点实物图

[1]GB/T 17215.211-2006,交流电测量设备通用要求、试验和试验条件第11 部分：测量设备[S].

[2]冯守超,朱凌,刘振波.单相智能电能表温升的试验方法[J].低压电器, 2012, (16).

[3]张军. 智能温度传感器DS18B20 及其应用[J]. 仪表技术, 2010(4).