2.4 电源模块

电源采用开关电源结构，其设计示意图如图6所示。市电经过雷击、过流保护、过压保护，滤波，整流进入高频变压器，从变压器二次侧分成三路绕组，分别经KF50B电压调节器稳压后引出。一路给RS485通讯部分供电；一路又分为两支，+12V一支直接给继电器和电力载波供电，另一支经DC-DC变换后给MCU、唤醒电路供电；第三路则给隔离、比较器及其他部分模块供电。控制开关部分采用VIPER27芯片，集成了一个电流PWM开关和N沟道的MOSFET，最小击穿电压为800V。二次侧分成三路绕组引出，增加了一定的布线难度，但是简化了电路模块间的隔离。为减小电磁干扰，在输出+12V绕组接一个330pF/100V电容，+5V输出绕组接入330pF/2kV电容，在PG与地之间还单独并入防串扰电容。

2.5 软件部分设计

结合计量芯片的底层驱动程序，分模块进行电表的软件设计。软件主要由初始化和系统管理主程序，时钟模块程序、显示模块程序、电源管理程序、通讯模块程序和事件告警程序组成。其中通讯中的电力线载波、红外按照用电部门既定规约通信。事件告警程序监控电表的过载、窃电和开盖等事件。

3 wirelessHART及抄表通信

绿色传感网各个层次已经有众多的协议，如Direct Diffusion，LEACH，S-MAC，ZigBee等等，配合拓扑结构，能够提供丰富的冗余路径，可以提高数据传输的可靠性，增强网络抵抗环境干扰的能力。随着AMI技术的发展，绿色传感网用于智能抄表将是新趋势，但是大多数无线抄表基于私有的通信协议，而wirelessHART建立在HART之上，是当前工业界使用最广泛的国际标准。该协议与ZigBee的比较见表1[6]。wirelessHART具有比ZigBee更高的可靠性、安全性以及更低的设备功耗[7]，本设计中，采集器、集中器均用STM32F103处理器和CC2520收发机芯片。集中器则增加GPRS模块，作为抄表远程通信信道。抄表网络结构示意图如图7所示, 每一个采集器悬挂16个智能电表单元，同时具有路由功能。网关为采集器现场设备和管理主站提供接口，向下通过wirelessHART无线网络收集采集器的电表数据，向上通过GPRS将数据上传到电力部门应用管理主机。

表1 ZigBee与wirelessHART比较

4 检测

经过测试，该单相智能电表工作电压为220VAC± 20%，频率范围为50Hz ± 10%，精度达到0.5级，Ib =5A,Imax=60A；可以实现四象限电能计量，电压、电流参数、功率因数测量和显示；快速数字校准和单线篡改检测；可编程能量脉冲LED输出；多费率、预付费帐户管理等功能。交流电源和电池切换，功耗在交流模式时在3W范围内，电池模式时小于6.5mA，待机模式时小于52μA。将电表通过RS485接到基于wirelessHART协议的采集器、集中器无线组网抄表，在实验条件下进行测试，发射节点功率控制在50mW之内，通信距离在200m内，一次性采集成功率和周期性采集成功率均达到99%以上，电表运行正常。

5 结论

本文将绿色传感网络的技术理念应用于智能用电和AMI，设计了满足要求的智能电表，电表使用STM32处理器，运行效率优于16位方案，而功耗增加不大。在绿色传感网络抄表实现上，将智能电表结合采集器作为传感网中的网络节点，使用wirelessHART协议构建抄表本地通信网络，实现了电表的功能及智能抄表系统。通过协议与ZigBee协议相比较，该抄表系统在节点功耗、可靠性和安全性方面有一定提高。其特点还在于构建电表和系统的主要芯片基本在ST公司的产品框架内，简化了对硬件维护升级。目前该智能电表方案已基本确定，而绿色传感网络技术应用于智能用电的潜力，如进一步降低系统功耗，提高AMI抗电磁干扰能力和通信效率，改善服务质量等尚有待更深入地挖掘研究。

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