基于STM32的电能表采集器的设计

李洪波 李国良

（兴义民族师范学院， 贵州 兴义 562400）

基于STM32的电能表采集器的设计

李洪波 李国良

（兴义民族师范学院， 贵州 兴义 562400）

传统电能表数据采集方式已经越来越不能适应现代社会的发展，必须对采集过程进行智能化改造。基于STM32微处理器和无线传感网络的采集器设计，实现了抄表的自动化，具有成本低、功耗小、准确性高、实时性强等优点。

STM32，采集器，无线传感器

在电能表的数据采集过程中，传统的采集方式为人工入户抄表，尽管现在的电能表已经集中放置在室外了，还有一些通过手持设备进行电能表数据的采集，但还是需要安排人员到电能表集中点去抄表，仍存在管理费用过高、采集数据不准确、有很大的管理漏洞等问题。因此，利用现代电子技术，实现远程抄表的实时性、准确性、智能化和快速反应能力，提高管理效率，降低运营成本，是智能化电能表采集设备发展的必然趋势。

基于以上问题，提出了基于STM32的智能电能表采集器设计方案，不用专门安排人员去抄表，在管理部门的监控中心就能实现自动采集和控制，从而实现了电能表数据的智能化采集，具有实时采集、声光报警、液晶显示、无线传输和智能控制等功能，既能为用户提供便捷、安全的服务，又能为电能管理部门节省运营成本，提高管理效率。

一、工作原理

基于STM32的电能表采集器设计方案如图1所示，以STM32为控制核心，包含电源模块、EEPROM模块、声光报警模块、人机界面模块、控制模块、无线传感器和GPRS模块。采集器通过微处理器STM32的I/O端口定时采集电能表数据，然后通过无线网络发送出去，用户可以通过人机界面模块查询并显示用电信息。当用户数据出现异常或用户欠费时，声光报警模块就会工作，电能管理部门可以通过远程控制程序，利用GPRS无线网络，使微处理器通过控制模块控制电能表的通断电。

图1 基于STM32的电能表采集器

二、硬件电路设计

1.STM32微处理器

图2 晶振电路连接

STM32微处理器属于意法半导体公司，它是一种高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3内核，是为嵌入式应用领域专门设计的。该微处理器包含12位的AD通道、GPIO接口和标准的通信接口，最多高达112个的快速I/O端口，根据型号的不同，有 26，37，51，80，和 112 的 I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量，有3种低功耗模式：休眠、停止、待机模式[1]。本设计采用64管脚的STM32F103微处理器，外接晶振电路如图2所示，调试接口JTAG的连接电路如图3所示。

图3 调试接口JTAG的连接电路

2.人机界面模块

在人机界面模块中，包含键盘和液晶显示部分，本设计采用了一块5V供电的液晶模块SMC2004A。SMC2004A的主要技术参数是：显示容量是20×4个字符，工作电压是4.8V-5.2V，工作电流是2.0mA，最佳工作电压是5.0V，故对其+5.0V电压即可。

STM32F103微处理器与SMC2004A的连接电路图如图 4 所示。PB0、PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7与 SMC2004A的 D0～D7引脚并行连接，模拟数据总线，PB8与使能信号端E连接，PB9与读写控制信号R/W连接，PB10连接数据命令选择端RS，V0代表LCD的偏压输入，BLK是背光源负极，BLA是背光源正极。

图4 LCD液晶连接电路

3.控制模块

控制模块安装在电能表外，用户电能表的通断通过继电器TQ2-5V控制。TQ2-5V为信号继电器，额定电压为DC5.0V，吸合电压为DC3.75V，释放电压为DC0.5V，额定功率140mW。当采集器需要对用户实施断电操作时，由STM32F103微处理器给GPIO管脚输出高电平，经驱动控制继电器动作，完成通断电操作。

4.无线传感器

无线传感器负责采集器之间的数据传输，采用了ZigBee模块设计。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，协定层从下到上分别为实体层（PHY）、媒体存取层（MAC）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。按网络节点功能可分为终端节点、路由节点、以及协调器节点。ZigBee网络的通信方式有3种：星状、网状、簇状，网络中的设备有PAN协调器、路由节点以及终端节点组成[2]。

在本系统中采用的ZigBee网络为簇状网络拓扑图，同时采用的ZigBee芯片为CC2530，此芯片的电路组成比较简单、封装小、功耗低，所以在无线传感器网络中得到了越来越广泛的应用。无线传感器网络节点结构如图5所示。

图5 无线传感器网络节点结构

三、软件设计

STM32微处理器采用C语言进行程序设计，各部分功能可通过模块化编程调用实现，主程序流程见图6。可以看出主程序在系统通电后，进行系统初始化、定时采集电能表数据、监控电能表和ZigBee通信等操作。

图6 主程序流程图

四、通信系统设计

在本设计中，采用了两种通信方式，采集器之间通过ZigBee无线网络实现相互通信；ZigBee网络汇聚节点与用电管理部门之间通过GPRS无线网络通信。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接[3]。

五、结论

基于STM32的电能表采集器，以微处理器STM32F103作为控制核心，在硬件电路设计中采用了模块化设计，实现了数据的采集、传输和电能表的监控等功能；在软件设计中采用了结构化设计思想，有利于程序的编写、升级和维护。

[1]张旭，亓学广，李世光等.基于STM32电力数据采集系统的设计 [J].电子测量技术，2010，33(11):90－93．

[2]苏维均，邵军，于重重等.基于ZigBee的温室监测系统的低功耗设计[J].计算机测量与控制，2012，20（7）:1812-1814.

[3]李洪波，李国良，谭福奎.基于ARM 和ZigBee模块的电度表采集器设计[J].兴义民族师范学院学报，2014（6）.

[4]陈路原.基于CDMA/GPRS的远程监测系统设计及应用[J].天然气技术与经济，2014，

责任编辑：王文宝

The Collector Design of Electric Meterbased on STM32

LIHong-bo LiGuo-liang
（Xingyi Normal Universityfor Nationalities，Xingyi,Guizhou 562400,China)

The traditional data acquisition way ofwatt-hour meter?hasn’t been more and more adapt to the development of modern society,must to intelligent collection process.The design of the collector based on the STM32 micro processor and wireless sensor network,realizes the automation of the meter reading,has the advantages of low cost,low power consumption,high accuracy and strongreal-time performance,etc.

STM32;collector;wireless sensor

TP274

1009—0673（2016）01—0112—04

TM933.4

A

2016—01—02

李洪波（1980— ），男，山东泰安人，兴义民族师范学院物理与工程技术学院教师，研究方向：信号的采集与处理技术。