基于ZigBee的电力负荷监控装置

作者/孟献仪 徐州和纬信电科技有限公司，董建 合肥同智几点控制技术有限公司，郭健鹏 中国矿业大学徐海学院

　　引言

　　随着智能家居行业的快速发展，电力用户对电网的电能质量要求越来越高，同时用户对电网的扰动也在不断加强。为了确保安全、优质用电，须进一步加强对电力负荷的管理，实现远程监控。本装置采用单片机实现对电力负荷监测，能够监测电力负荷的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等多个参数，实现负荷数据采集、超功率断电并报警、数据无线实时上传等功能，能有效对负荷进行监测，并通过上位机进行远程控制。

　　1装置硬件

　　装置可分为现场数据采集部分、控制部分和上位机部分，如图1所示。

　　图1 硬件组成框图

　　1.1测量电路

　　本设计是采用上海东软载波微电子HR7P193单片机和CSE7759芯片设计电量采集模块为核心设计的电力负荷在线监测系统，应用单片机进行数据处理， CSE7759是一款高性能电量集成芯片，其内部集成振荡器、AD转换等电路模块，能自主将采样电压、电流转换为脉冲，具有模拟量输入，数字量输出的显著特征，具有两个模数转换器ADC、内置时钟、乘法器、滤波器等功能模块。

　　采样电路采用电阻采样方式，电压采样是将220V市电电压通过4个470kΩ电阻和一个1kΩ电阻串联分压从而得到采样小信号电压，电流信号采用锰铜采样电阻，其中锰铜电阻采用2mΩ，锰铜电阻选用不宜太大，否则温飘将会严重影响测量结果，其采样的电压、电流信号为：

　　由于在电器开、关机时，感性负载两端会产生较大的脉冲，因此设计了浪涌保护电路，浪涌保护电路由压敏电阻和保险管组成，压敏电阻的选取：根据交流电压的两倍承受电压值，并考虑留有裕量，故选取10K471，保险管根据允许最大电流为10A的保险管。电路如图2所示。

　　图2 测量电路

　　1.2过载自动断电电路

　　无线电力负荷监测系统中用电负荷现场部分通过控制继电器实现自动断电功能。根据负载特征，要求继电器DC125-DC250V之间都能正常工作，且触电容量高达10A，因此选用SRD-05VDC-SL-C型继电器。过载自动断电电路如图3所示。在电路中，通过三极管的通断，来使继电器工作，同时三极管的放大作用能增加驱动能力。由于继电器成份为线圈，使用D1作为续流二极管，预防继电器断开时所产生的反电动势击穿三极管，毁坏设备。

　　图3 过载自动断电电路

　　1.3 ZigBee无线通信电路

　　本设备采用的QAZ系列ZIGBEE无线模块，是适应市场需要推出的标准ZIGBEE产品，它基于TI公司CC2530F256芯片，内部运行Zigbee2007/PRO协议栈，具有ZIGBEE协议的全部特性。其电压为5V/DC供电，具有较强抗干扰能力，传输距离约1公里。 针对复杂的ZIGBEE协议，本模块将协议栈嵌入模块内部，上电后自动组网，无需了解协议栈，只需要读写串口，即可实现数据的无线传输，简单易用。

　　ZigBee的数据传输分为三种模式，即：点播、组播、广播，本方案只设计了点对点通信方案， ZigBee模块点对点传输就能完成，所以本设计只用到ZigBee三种网络结构的其中的一种即星形网络。图4是通信电路系统框图。

　　图4 ZigBee通信电路系统框图

　　1.3.1单片机与ZigBee电路连接

　　QAZ2421版的ZigBee模块通过RS232接口与外界实现串口通信，RS232逻辑负为+12V，逻辑正为-12V;单片机串口电路采用TTL电平，TTL电平逻辑正为+5V，逻辑负为0V;很显然两者之间不能简单地用导线相连实现通信，如下图在两者之间串入MAX232电平转换芯片，便解决了TTL与RS232电平不匹配的问题。

图5单片机与ZigBee电路连接

　　1.3.2单片机与ZigBee串口通信

　　一般情况下，ZigBee自组网可配合上位机进行设置，从而保证成功组网。组网后，协调器的短地址默认为0x0000，为路由器单向传输到协调器提供了方便。但是组建网络后，由于路由器的短地址是随机的，如果单片机上应用ZigBee短地址相互通信，不易实现程序的固定化，从而给点对点传输造成了麻烦，因此我们采用数据+自定义地址的方法，有效地解决了上面的问题。

　　对于自定义地址通信的问题，由于QAZ系列ZigBee模块拥有完整的串口指令集，因此可以通过串口设置，实现ZigBee自定义地址的修改。从这一角度上说，只要单片机内烧录写有相应自定义地址的串口程序，在电路连接成功后，便可以初始化ZigBee的自定义地址，从而达到了点对点通信的目的。

　　1.4 单片机最小系统

　　本装置采用上海东软载波微电子HR7P193单片机为核心控制元件。HR7P193是一款8位MCU。主要用于家电、工业控制和汽车电子等领域。它的工作电压范围为3.0V ~ 5.5V，IDLE电流：160uA Typ.动态电流为5mA@8MHz，Typ. 系统时钟工作频率最高为16MHz ，内部16MHz RC时钟，全温度频率精度-10%~+5%，最多29个I/O端口，8K x 15bits Code Flash(Data Flash可选)，496 x 8bits SRAM，支持ISP，IAP，ICD功能，有一个8位定时器，三个8位时基定时器，一个16位门控定时器三路单边PWM，10位分辨率，一路UART，一路I2C接口，只支持单主控模式ADC：10位精度，5通道，自带LCDC液晶显示驱动：4x13，4x17。最小系统如图6所示。

　　图6 主控最小系统

　　2上位机

　　上位机既可以在操作界面中显示采集到的数据信息，又能控制相应的设备动作。装置的上位机是选取C++ Builder 完成的。界面如图7所示。

　　图7 上位机界面

　　该上位机还可以进行3D显示波形，单击右键就会出现“曲线截图、曲线清除、3D显示”等功能，还可以通过左键把波形进行局部放大。当单击“开/关”按钮，上位机会发出命令10(十六进制)，再次按下按钮上位机发出命令11(十六进制)，下位机收到命令时就能控制继电器的闭合与关断，从而控制现场设备和电网的连接情况，实现设备的远程控制;同时，按钮控制继电器每断开一次，上位机显示界面中断电次数就会加1，达到对负荷用电情况监测的目的。

　　3结论

　　通过测试，本装置可以实时准确地获取用电负荷的耗电信息，并将用电信息发送给远程监控终端;设备可通过上位机对设备进行远程控制，达到安全、优质用电的效果。