无线传感器网络电能检测节点设计

黄翔云，刘大明，郝阳阳

(上海电力学院 a.电子与信息工程学院，b.计算机科学与技术学院，上海 200090)

随着我国提出建设国家智能电网概念，智能化采集用电信息开始成为人们关注的焦点.传统机械计量设备无法满足信息及时采集的要求，其智能化的更新是一种迫切发展的方向.将无线传感器节点技术运用于智能化电量检测，这样做的最大好处就是，可通过无线传感器网络对数据进行实时采集和传输，确保电力公司工作人员及时掌握各区域用电情况，以便做出更加精准的送电、限电决策.[1-2]

1 总体设计

无线传感器网络电能检测总体设计如图1所示，主要由电流电压的检测电路、LCD液晶显示模块、无线通讯模块、时钟电路、电源电路、调试接口电路、复位电路，以及电能计量芯片 ADE7566和无线通信芯片CC2430等组成.[3]

检测电路有相互独立的工作电源(变压器隔离)，其设计的指标如表1所示.

图1 总体设计示意

表1 设计指标

本文设计的无线传感器节点电能检测功能主要是由电能计量芯片ADE7566和无线通信芯片CC2430实现的.同时，电能测量设计的电源电路拥有两套相互独立的工作电源(变压器隔离)，一套用于 ADE7566芯片，另一套是用于 CC2430芯片.

2 无线传感器节点

无线传感器网络电能检测节点设计的无线通信功能使用无线通信芯片 CC2430来实现.[4]CC2430芯片是一款片上系统的解决方案，重点用于IEEE 802.15.4和 Zigbee协议通信.其集成了8051微控制器、常用片内设置、DMA存储器和RF射频单元.少量的外围器件配合高度集成化的CC2430芯片，就可以构成一个完整的信号收发节点.

CC2430芯片的主要特点是:集成了高性能、低功耗的8051微控制器;集成了符合IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz的RF无线电收发器;无线接收灵敏度高、抗干扰性强.CC2430微控制单元(Micro Control Unit，MCU)的软件设计包括查找终端并联网程序、调用读写子程序、调用信息发送子程序.其流程图如图2所示.

CC2430芯片主要完成的任务有:

(1)通过UART通信串口和 ADE7566芯片进行通信，保存电量有效数据;

(2)通过非平衡无线RF实现与无线通信协调器实时通信，当协调器发出和该节点设备ID相符的通信信号时，RF做出发送数据的响应.

图2 CC2430MCU流程示意

3 采集数据模块

对电能的精确测量和记录是减少电能消耗的前提，随着我国科学技术的不断发展，电能测量工具的研究方法不断改进，各种测量精度高、稳定性好的专用电能计量芯片也不断出现.在此基础上，本文选用先进的电能计量芯片ADE7566来进行电能检测节点的设计，[5]其集成了公司的能源计量IC模拟前端，它具有以下优点:一是耗电量低，具有休眠模式;二是高集成简化了电路，具有增强型8052 MCU核的固定功能DSP解决方案，以及一个完整的RTC和一个LCD驱动器，并配有全套外设.[6]ADE7566 芯片的测量核，包括有功(active)功率、无功(reactive)功率、视在功率、电能计算，以及电压和电流的有效值测量.

3.1 ADE7566MCU 部分

ADE7566MCU软件设计包括ADE7566配置程序、串口发送处理子程、LCD显示子程序、串口接收处理子程序，其流程图如图3所示.

其中，ADE7566芯片主要完成的任务有:(1)通过电压和电流互感器对电器设备的检测，实现采集电气设备电流和电压信号数据.

(2)进行有效值的计算和校验，保存在其寄存器中并在外设的LCD液晶显示出来.

(3)实现和CC2430芯片中的8051微控制器数据通信.

图3 ADE7566MCU流程

3.2 电能采集部分

ADE7566芯片有两个全差分电压输入通道.最大差分输入电压为VP/VN和IP/IN，输入对电压为±0.4 V.设计的指标如下:工作电压范围为200～240 V，被测电气设备电流范围为0～20 A.ADE7566芯片两个输入通道外围采集电路见图4.

图4 电压、电流信号采集电路示意

第一通道为电流互感器，其设备的电流变化范围大，第二通道为电压互感器，其设备的电压变化范围小.每个模拟输入通道都具有可编程增益放大器(PGA)，通过写入增益寄存器实现增益选择，可设为 1，2，4，8 或 16.调节校正电路时，使通道1的最大输入电压为31.25 mV，这时通道1可编程放大器增益设为16.

线路中的电压信号通过电阻分压直接得到.对于有效值为220 V的电压，经过分压后通道2输入的峰值电压为0.31 V，通道2的可编程放大器增益设为1.

4 实验测试结果

本设计的节点对各种不同功率的家用电器(空调、饮水机和电脑主机)从上午10时至下午2时之间4 h内的用电量变化进行监测.实验结果如图5所示.由图5可以看出，12时至13时之间，空调用电量保持不变，电脑主机用电量明显比其他时段少，而饮水机变化不大.

图5 家用电器部分时段用电量变化示意

5 结语

本文完成了基于无线通信芯片CC2430和电能计量芯片ADE7566的分布式电能检测节点的设计，实现实时采集电流、电压和电能等用电量数据的功能.通过设计的节点对不同功率的家用电器进行了测试，结果表明，采用无线传感器的智能采集节点可实时获取电器用电量.

[1]张浩，茅大钧，王建峰，等.大型电站生产过程信息采集与远程监测的关键技术[J].上海电力学院学报，2006，22(2):101-104.

[2]任玲芝.ZigBee无线传感器网络节点的关键技术研究[D].南京:南京理工大学，2013.

[3]陈敏，王擘，李军华，等.无线传感器网络原理与实践[M].北京:化学工业出版社，2011:2-121.

[4]李洪杰，杜计平，晋智毅，等.基于 CC2430与 WSN的矿井液压支架监测系统研究[J].矿山机械，2013，41(6):25-29.

[5]Analog Device Inc.Single-phase energy measurement IC with 8052 MCU，RTC，and LCD driver data sheet[EB/OL].2008[2014 － 04 － 06].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADE7116_7156_7166_7169_7566_7569.pdf.

[6]朱亚南，谢兆鸿，李述良，等.基于ADE7758的智能电表的设计与研究[J].现代物业·新建设，2013，12(5):40-43.