基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王憲保,張展豪

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310023)

0 引言

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的突飛猛進(jìn)，智能電力儀表技術(shù)日新月異，抄表方式也由最初的人工抄表演進(jìn)為通過RS485總線技術(shù)，再到如今常用的藍(lán)牙、Zigbee、GPRS、LoRa等無(wú)線通信技術(shù)[1]。其中藍(lán)牙技術(shù)覆蓋范圍只有幾十米，僅適用于小范圍。ZigBee技術(shù)的衍射能力和穿墻能力弱，不適用于障礙物密集度區(qū)域。GPRS因費(fèi)用過高以及數(shù)據(jù)安全等問題，不適用于抄表。LoRa技術(shù)由于使用的是非授權(quán)頻段，涉及到合法性問題，并且隨其部署的增多會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生頻譜干擾。因此需要一種結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與云運(yùn)算特性的新興物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，支撐起電網(wǎng)精益化管理與運(yùn)營(yíng)。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)作為一種5 G時(shí)代新興的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，采用3 GPP網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，利用運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有的基站網(wǎng)絡(luò)，減少了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并于2017年開始進(jìn)行大規(guī)模部署商用，其容量大、覆蓋范圍廣、穿透力強(qiáng)、成本低廉、兼容性強(qiáng)、低功耗的特點(diǎn)，非常適合電力儀表的數(shù)據(jù)抄讀[2]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用方向十分廣泛，而將其集成在電力儀表的研究較少。因此，本文重點(diǎn)研究NB-IoT技術(shù)在電力儀表中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種基于移遠(yuǎn)BC26系列通信模塊和V9203計(jì)量芯片的電力儀表，對(duì)儀表的各硬件電路與軟件算法進(jìn)行詳細(xì)論述。最后，在電量采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)裝置計(jì)量結(jié)果的精確性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，并將電量數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。

1 電力儀表功能設(shè)計(jì)

此電力儀表主要由電源電路、采樣電路、NB-IoT無(wú)線通信電路和主控電路四部分組成。系統(tǒng)以STM32F030為智能電力儀表的 MCU，并以鐵電RC16作為EEPROM。采樣電路以V9203作為計(jì)量芯片。采用基于聯(lián)發(fā)科MT2625芯片平臺(tái)的BC26作為NB-IoT無(wú)線通信電路的模組。MCU分別通過SPI、I2C與計(jì)量芯片和存儲(chǔ)芯片進(jìn)行通信，MCU與NB-IoT模塊之間通過串口發(fā)送“AT”指令進(jìn)行交互實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。智能電力儀表硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能電力儀表硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 主控與存儲(chǔ)芯片

本設(shè)計(jì)所用的主控芯片stm32f030是一款32位的基于ARM Cortex-M0內(nèi)核的微控制器，該內(nèi)核采用哈佛架構(gòu)，工作頻率可達(dá)到48 MHz，存儲(chǔ)器可外部擴(kuò)展。該芯片可工作在2.4～3.6 V的電壓下。在通信接口上，該芯片支持UART、I2C、SPI等通信方式。該主控芯片功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、外設(shè)資源豐富，非常適合此款電力儀表的設(shè)計(jì)條件。

選用具有非易失性的鐵電存儲(chǔ)器MB85RC16對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，與傳統(tǒng)的EEPROM相比，MB85RC16的寫入速度更快甚至能夠進(jìn)行無(wú)限次擦寫操作，滿足電力儀表頻繁寫入并保存電能數(shù)據(jù)的需求。且在掉電瞬間仍然可以保存數(shù)據(jù)，無(wú)需添加超級(jí)電容，降低儀表本身硬件成本。

1.2 電量采集電路設(shè)計(jì)

綜合考慮，單SOC計(jì)量芯片架構(gòu)不適用于功能復(fù)雜的電力儀表設(shè)計(jì)，單MCU方案軟硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，此設(shè)計(jì)采用單片機(jī)加計(jì)量芯片的方案，單片機(jī)只需要驅(qū)動(dòng)和讀取計(jì)量芯片內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換和復(fù)雜的計(jì)算由計(jì)量芯片完成，減少單片機(jī)執(zhí)行的任務(wù)。本電力儀表采用的是杭州萬(wàn)工科技有限公司推出的V9203計(jì)量芯片。該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器用于計(jì)算處理各電量參數(shù)，其計(jì)量精度高，有功無(wú)功在10 000:1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，全波或基波的有功電能誤差低于0.1%，跳差低于0.05%，能夠測(cè)量各相全波或基波的電流電壓的有效值和有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率等。該芯片除提供正常工作模式外，還支持電流預(yù)判模式、測(cè)量電流有效值模式和深度睡眠模式。并且該芯片支持軟件校表，適用于三相三線或三相四線的應(yīng)用，其功能如圖2所示。

圖2 計(jì)量芯片功能框圖

此芯片電流電壓采集測(cè)量管腳能夠承受最大電壓差為±200 mV，通過配置控制寄存器模擬增益與數(shù)字增益使得傳感器輸出信號(hào)與ADC滿量程信號(hào)匹配。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，通過調(diào)整延時(shí)改變電流電壓信號(hào)之間的相位差。V9203采用計(jì)算瞬時(shí)功率平均值獲得有功功率。通過將采集到的電壓信號(hào)做-90°相移再計(jì)算瞬時(shí)功率平均值獲得無(wú)功功率。有功、無(wú)功電能計(jì)量采用電能累加模式，是通過芯片內(nèi)電能累加寄存器獲得[3]。電能累加即將計(jì)算得到的數(shù)值和寄存器中的電能值相加，新的值存到寄存器中。

1.2.1 電力儀表電流采樣

電力儀表A路電流互感器電流信號(hào)采樣電路如圖3所示，B、C相同理。

圖3 電流采樣電路原理圖

采用的電流互感器為ZMCT103Z，額定輸入電流5 A,額定輸出電流5 mA，支持1.2倍長(zhǎng)時(shí)間輸入，線性度為0.2%，精度為0.4%。A相電流通過電流互感器耦合為對(duì)應(yīng)比例的二次側(cè)電流小信號(hào)，經(jīng)過負(fù)載電阻R39、R42轉(zhuǎn)換為mV信號(hào)，再經(jīng)過阻容低通濾波電路處理后接入到計(jì)量芯片管腳。

全波電流有效值的計(jì)算公式為：

Iarms=PGAdia×PGAia×Aia÷1.185

(1)

基波電流有效值的計(jì)算公式為：

(2)

式中PGAdia為A相電流通道的數(shù)字增益，PGAia 為 A相電流通道的模擬增益，Aia為A相電流模擬輸入信號(hào)的幅度(V)，1.185為基準(zhǔn)電壓(V)[4]。

根據(jù)上述方法計(jì)算得到的是各通道信號(hào)的有效值，經(jīng)過比差校正和二次補(bǔ)償后，存于全波電壓/電流有效值寄存器(R/W)和基波電壓/電流有效值寄存器(R/W)。

1.2.2 電力儀表電壓采樣

電力儀表A相電壓采樣電路如圖4所示，B、C相同理。

圖4 電圧采樣電路原理圖

電壓測(cè)量采用電阻分壓方式，經(jīng)6個(gè)串聯(lián)的200 kΩ電阻分壓成對(duì)應(yīng)比例的mV信號(hào)，再經(jīng)過由100歐電阻與0.1微法電容組成的低通濾波器濾除干擾信號(hào)，最終有用信號(hào)輸入到計(jì)量芯片V9203的電壓采樣端口。

電壓通道模擬信號(hào)的計(jì)算公式為:

Ua=PGAua×Aua×sinωi

(3)

式中，PGAua為A相電壓通道的數(shù)字增益，Aua為A相電壓模擬輸入信號(hào)的幅度(V)。

1.3 顯示功能設(shè)計(jì)

友好的人機(jī)交互顯示界面是電力儀表的重要組成部分，本設(shè)計(jì)的顯示界面采用256位的斷碼式液晶顯示屏。單片機(jī)STM32的GPIO口與液晶顯示模塊HT1622的片選、位選、數(shù)據(jù)口連接，通過模擬時(shí)序的方式進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)與控制指令的通訊，從而控制液晶顯示屏顯示對(duì)應(yīng)界面與數(shù)據(jù)。HT1622的顯示程序包括初始化程序、寫數(shù)據(jù)程序、清零程序、結(jié)束時(shí)序程序等。液晶顯示芯片電路原理如圖5所示。

圖5 液晶顯示芯片HT1622電路原理圖

1.4 誤差校調(diào)功能設(shè)計(jì)

為解決儀表電子元器件精度問題導(dǎo)致采樣誤差，采用軟件校表的方式獲得儀表與標(biāo)準(zhǔn)源的誤差值，計(jì)量芯片V9203根據(jù)誤差值計(jì)算出校準(zhǔn)系數(shù)，再將校準(zhǔn)系數(shù)存入單片機(jī)FLASH中。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，將校準(zhǔn)系數(shù)寫入V9203的寄存器中，計(jì)量芯片按照配置過的校準(zhǔn)系數(shù)運(yùn)行和計(jì)算，能夠達(dá)到要求的計(jì)量精度。

1.5 NB-IoT通信單元

NB-IoT在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中是一項(xiàng)新興的技術(shù)，其成本低、覆蓋面積廣、支持海量連接，但帶寬低、數(shù)據(jù)傳輸速度慢、工作頻率較低，適用于各類儀表設(shè)備的遠(yuǎn)程抄表與智慧管理，很好地解決了儀表數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸問題[5]。NB-IoT云管端的組網(wǎng)方式由用戶設(shè)備終端、NB-IoT基站、核心網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)以及行業(yè)應(yīng)用設(shè)備構(gòu)成。NB-IoT設(shè)備終端通過空口連接到基站，并通過S1-lite接口與IoT核心網(wǎng)進(jìn)行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理。IoT核心網(wǎng)承擔(dān)與終端非接入層交互的功能，并將IoT業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT平臺(tái)進(jìn)行處理。IoT平臺(tái)匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IoT數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用器進(jìn)行處理[6]。應(yīng)用服務(wù)器是IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點(diǎn)，根據(jù)客戶的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作。NB-IoT的一個(gè)突出特點(diǎn)是采集后的數(shù)據(jù)可以直接上傳到云端，無(wú)需通過網(wǎng)關(guān)，簡(jiǎn)化了部署流程[7]。NB-IoT設(shè)備安裝物聯(lián)網(wǎng)卡后接入NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，并通過基站收發(fā)信息，再通過核心網(wǎng)連接基站與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)通過運(yùn)算與處理將最終數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶設(shè)備終端。NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 NB-IOT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

NB-IoT與目前主流物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)4G、WIFI、GPRS的性能參數(shù)比較如表1所示。

表1 當(dāng)前主流物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)比

無(wú)線通信部分采用移遠(yuǎn)的BC26模塊實(shí)現(xiàn)通信，相比于4 G模塊通信發(fā)送信號(hào)瞬間電流需要3 A，2 G通信模塊需要2 A，而BC26僅需0.5 A，減輕了電源電流輸出的要求。BC26是一款低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)通信模塊，采用易于焊接的LCC封裝，尺寸只有2.0 mm×15 .8 mm×17.7 mm，支持豐富的外部接口和協(xié)議棧，具備OpenCPU的功能同時(shí)也可以接入OneNET、EasyIoT、OceanConnect等物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的合適選擇，其工作溫度范圍在-35～+75 ℃之間，適合電力儀表工作環(huán)境[8]。BC26的供電電壓范圍為2.1～3.63 V，本設(shè)計(jì)采用典型供電電壓3.3 V，模組內(nèi)嵌USIM接口，支持1.8 V的USIM卡。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)與BC26模塊之間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，STM32F030和BC26模塊均使用3.3 V供電，可以直接將BC26模塊的發(fā)送和接收管腳連接到單片機(jī)的串口對(duì)應(yīng)管腳進(jìn)行串口通信。BC26提供喚醒狀態(tài)、輕休眠狀態(tài)和深度休眠狀態(tài)3種工作狀態(tài)，在省電模式(PSM)狀態(tài)下電流僅為3.8微安。NB-IoT模塊BC26電路原理如圖7所示。

圖7 NB-IoT模塊BC26電路原理圖

2 數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)

本設(shè)計(jì)通過BC26對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送，單片機(jī)通過串口發(fā)送“AT”指令實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)備與云平臺(tái)連接，本方案使用的是物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)OneNET。OneNET是中國(guó)移動(dòng)打造的定位為PaaS服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與設(shè)備之間搭建完成了高效、穩(wěn)定、安全的橋梁，其可擴(kuò)展性的架構(gòu)解決了大部分的接入難題[9]。該平臺(tái)適配常用傳輸協(xié)議，使得終端設(shè)備快速接入，方便管理。在應(yīng)用層，OneNET提供了豐富的API，能夠滿足各行各業(yè)對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的需求。API作為應(yīng)用程序接口，由預(yù)先定義的一些函數(shù)組成。通過這些功能集使得各不同平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，開發(fā)人員在無(wú)需深入理解內(nèi)部細(xì)節(jié)的情況下能夠訪問例程，調(diào)用并獲取數(shù)據(jù)[10]。OneNET就是這種開放式API，具有設(shè)備接入、監(jiān)控管理、實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析、消息分發(fā)等功能，幫助開發(fā)者快速構(gòu)建各種IoT設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)研發(fā)人員在OneNET的基礎(chǔ)上可以將重心投入到物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的研發(fā)上，而減少在環(huán)境搭建上的耗時(shí)，縮短研發(fā)周期，降低企業(yè)運(yùn)維成本。設(shè)計(jì)中采用的LwM2M(Lightweight Machine-To-Machine)協(xié)議是一種輕量級(jí)的M2M協(xié)議，主要面向的對(duì)象是窄帶物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[11]。LwM2M協(xié)議通過引導(dǎo)接口、客戶端注冊(cè)接口、客戶管理與服務(wù)實(shí)現(xiàn)接口、信息上報(bào)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。BC26接入云平臺(tái)的流程如圖8所示。

圖8 BC26接入云平臺(tái)的流程

BC26模塊通過使用AT指令采用LwM2M協(xié)議對(duì)接OneNET云平臺(tái)的步驟如下所示：

1)使用AT+CGPADDR=1指令檢查分配的IP地址以獲得默認(rèn)的PND；

2)使用AT+MIPLCREATE指令創(chuàng)建OneNET通信套件實(shí)例；

3)使用AT+MIPLADDOBJ指令添加一個(gè)LwM2M對(duì)象

4)使用AT+MIPLOPEN指令發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求；

5)使用AT+MIPLOBSERVERSP指令回應(yīng)觀察資源的反饋；

6)使用AT+MIPLDISCOVERRSP指令響應(yīng)發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求；

7)使用AT+MIPLNOTIFY指令發(fā)送數(shù)據(jù)到OneNET平臺(tái)；

8)使用AT+MIPLUPDATE指令發(fā)送更新數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 儀表電量參數(shù)測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)使用精度為0.005%三相標(biāo)準(zhǔn)源(STR3030A)，在常溫狀態(tài)下對(duì)電表的電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率等電量進(jìn)行測(cè)量。

其中計(jì)算誤差的公式為：誤差=(施加值-測(cè)量平均值)/額定值。

3.1.1 電流有效值精度分析

由于三相電流采樣原理相同，這里對(duì)A相電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在電壓相同的情況下，選取電流分別為1A、2A、3A、4A、5A時(shí)進(jìn)行測(cè)量。電流參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 電流有效值的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與誤差

3.1.2 電壓有效值精度分析

電壓的測(cè)量和電流一樣只選用A相數(shù)據(jù)分析，結(jié)合電力儀表在實(shí)際情況下測(cè)量的電壓，選擇100 V、200 V、220 V、380 V的結(jié)果進(jìn)行分析。電壓參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 電壓有效值的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與誤差

3.1.3 基本電量參數(shù)分析

基本電量參數(shù)分析同樣選取A相測(cè)量結(jié)果，對(duì)儀表A相施加220 V電壓，5 A電流，夾角60°來(lái)測(cè)量有功功率、無(wú)功功率、視在功率和功率因數(shù)。電量參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 電量參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與誤差

3.2 電力監(jiān)控云平臺(tái)功能測(cè)試

本設(shè)計(jì)以中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)交換平臺(tái)作為數(shù)據(jù)交互中心，儀表測(cè)量的電量參數(shù)設(shè)置為每隔30 s上傳至云平臺(tái)一次。服務(wù)器由API接口將電量數(shù)據(jù)推送到OneNET云平臺(tái)，數(shù)據(jù)在云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，用戶可以在前端網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，且歷史數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。此外，在OneNET云平臺(tái)添加報(bào)警觸發(fā)器，當(dāng)儀表測(cè)量并上傳至云平臺(tái)的電量參數(shù)高于或低于設(shè)定閾值會(huì)進(jìn)行報(bào)警。如圖9所示云平臺(tái)以表盤的方式實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)刻的電量，以折線的方式展示實(shí)時(shí)用電情況。

圖9 電力監(jiān)測(cè)云平臺(tái)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力儀表，具有對(duì)電流、電壓、頻率、有功功率、功率因數(shù)等同時(shí)進(jìn)行測(cè)量的功能，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析精度達(dá)到0.5級(jí)，在工業(yè)計(jì)量等領(lǐng)域中應(yīng)用，可替代多個(gè)傳統(tǒng)的模擬或數(shù)字測(cè)量?jī)x表，大大降低系統(tǒng)成本。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)低功耗、遠(yuǎn)距離的無(wú)線傳輸，避免了現(xiàn)場(chǎng)布線，滿足儀表復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境的要求。采用NB-IoT技術(shù)可直接接入核心網(wǎng)，無(wú)需另外安裝網(wǎng)關(guān)設(shè)備，提高系統(tǒng)安全性。此方案采用模塊化設(shè)計(jì)，便于日后升級(jí)改造。在此基礎(chǔ)之上搭建智慧監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，能夠準(zhǔn)確、快速地獲知各個(gè)用電環(huán)節(jié)的電量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，有效地進(jìn)行用電量分析、負(fù)荷管理、運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展的前景下具有較為廣泛的應(yīng)用。