印正譽(yù) 姚春羽 蔡仲言

(1.上海工程技術(shù)大學(xué),上海 201620;2.國家投資項目評審中心,北京 100037)

0 引言

現(xiàn)如今社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,使得電能由于其在社會發(fā)展中具有舉足輕重的地位受到了人們的高度關(guān)注。隨著人民對生活質(zhì)量要求不斷提高,家庭電器的用電量呈逐年增長的狀態(tài)[1]。因此,為了更好地調(diào)節(jié)電能資源,保證電能的穩(wěn)定供給,電力公司需要全面了解每個電力用戶的用電需求和用電習(xí)慣;電力用戶也需要能夠?qū)崟r地獲取自己家里的用電信息來培養(yǎng)節(jié)約用電的意識[2-3]。智能電表應(yīng)運(yùn)而生,恰好能滿足電力公司和電力用戶的需求。智能電表作為智能電網(wǎng)的控制終端,承擔(dān)著電能數(shù)據(jù)的計量和發(fā)送功能,由此可見其可靠性和準(zhǔn)確性對人們的日常用電具有重要的意義[4-6]。

在智能電表的眾多研究方向中,無線通信技術(shù)是其中的熱門,主要為RS-485通信、電力線載波通信、紅外通信、GPRS無線通信等。其中,RS-485通信和紅外通信主要用于本地通信;而電力線載波通信和GPRS無線通信主要用于遠(yuǎn)程通信[7-8]。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi等技術(shù)被引入智能電表中[9]?；跓o線通信技術(shù)的新型智能電表不僅能夠?qū)﹄娔苓M(jìn)行遠(yuǎn)程計量和計費(fèi),而且可以使電力用戶和電力公司之間進(jìn)行雙向通訊,成為電力用戶和電力公司之間的橋梁[10]。

無線通信技術(shù)飛速發(fā)展的同時伴隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),開啟了互聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)新時代,和4G技術(shù)相比,5G技術(shù)不僅應(yīng)用到我們?nèi)粘Ｉ钪械穆?lián)絡(luò),還將應(yīng)用在我們生產(chǎn)工作的各個方面,能夠為電氣行業(yè)的發(fā)展帶向全新的高度。基于5G網(wǎng)絡(luò)超高的帶寬、超低的延時以及超大規(guī)模范圍的特點(diǎn),如果能夠配合具有強(qiáng)大通訊功能的智能電表將為電氣行業(yè)的運(yùn)營效率和決策水平的智能化帶來質(zhì)的飛躍,以此來對為環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源事業(yè)做出更加有效的系統(tǒng)監(jiān)測和統(tǒng)籌規(guī)劃。

1 通信模塊硬件設(shè)計

1.1 技術(shù)指標(biāo)

智能電表統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的決定對于電能使用中電能信息采集和電網(wǎng)公司與用戶之間的互動都具有積極的促進(jìn)作用。本文所采用的技術(shù)指標(biāo)如下:(1)電壓量程:默認(rèn)為220V,通常給出電壓的峰值;電流量程:默認(rèn)為50A;(2)信號處理:采用專用測量芯片,24位AD采樣;(3)測量精度:電流和電壓誤差范圍在1%以內(nèi);(4)通訊速率:Wi-Fi模式下波特率設(shè)置為4800 Bps,而藍(lán)牙模式下無需設(shè)置;(5)通訊規(guī)約:MODBUS-RTU 規(guī)約;(6)接口類型:1路TTL通訊接口,兼容5V/3.3V。

1.2 硬件系統(tǒng)選型與設(shè)計

1.2.1 無線通信模塊

ESP32是樂鑫信息科技推出的物聯(lián)網(wǎng)芯片,可作為獨(dú)立系統(tǒng)通過SPI/SDIO或者I2C/UART接口來提供Wi-Fi和藍(lán)牙功能,具有極佳的低功耗性能,使得其能夠與可穿戴設(shè)備更加兼容[11],原理如圖1所示。

圖1 ESP32原理圖Fig.1 ESP32 principle diagram

1.2.2 電表計量模塊

LT-163是一款集成了測量功能和數(shù)字通信技術(shù)的單相交流電參數(shù)測量產(chǎn)品,可以準(zhǔn)確地完成采集電流、電壓等電參數(shù)的采集工作和不影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下并完成傳輸工作。通訊方面該模塊配備了1路與電路完全隔離的TTL電平接口,可以方便嵌入到各種需要測量用電情況的設(shè)備中,具有極優(yōu)的性價比。模塊接口定義如圖2所示。

圖2 LT-163計量模塊接口定義Fig.2 LT-163 metering module interface definition

1.2.3 硬件系統(tǒng)搭建

電源模塊中,可以選擇為兩個模塊分別供電,由于NodeMCU-32S開發(fā)板可提供3.3V電壓供電,LT-163單相互感式電能計量模塊采用3.3V工作電壓,為了接線簡潔化,將計量模塊的電源模塊直接與NodeMCU-32S開發(fā)板對接。

計量模塊的“V+”和“V-”兩個接口接在開發(fā)板的“VIN3.3V”和“GND”兩個引腳上。通訊接口上,NodeMCU-32S開發(fā)板上共三組串行通信接口,選用其中一組“GPIO1”和“GPIO3”接到計量模塊的“TXD”和“RXD”兩個接口。

最后將需要測試的負(fù)載的零線和火線分別接到計量模塊對應(yīng)的接口上,否則無法測量電壓。使用Micro USB數(shù)據(jù)線連接個人電腦與NodeMCU-32S開發(fā)板即可為整個系統(tǒng)供電并且上傳代碼。

2 通信模塊軟件設(shè)計

基于ESP32同時擁有強(qiáng)大的Wi-Fi功能的藍(lán)牙功能,本文對于兩種通信方式分別進(jìn)行了軟件設(shè)計,使用戶能夠根據(jù)不同的情況通過兩種不同的方式在手機(jī)上接收到電量信息,流程如圖3所示。

圖3 通訊軟件流程圖Fig.3 Communication software flow chart

3 系統(tǒng)測試

針對基于ESP32 Wi-Fi和藍(lán)牙模塊的智能電表的設(shè)計,本文組裝了一個簡易的測試平臺來對其性能進(jìn)行測試與分析。需要測試地主要分為兩大部分:

第一部分先拋開無線通訊功能,只測試LT-163計量模塊的測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,因為電能計量的準(zhǔn)確是智能電表設(shè)計的基礎(chǔ)。本文首先測試其準(zhǔn)確性,為了方便對不同的用電器進(jìn)行檢測,制作一個簡單的拖線板插座來作為測試平臺,來對本文所設(shè)計的智能電表的電能計量部分等進(jìn)行實際測試。

第二部分測試ESP32模塊的無線通信功能,首先也是拋開整個系統(tǒng)的計量模塊,通過代碼實現(xiàn)一些簡單的功能對其Wi-Fi和藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸功能進(jìn)行實際測試,以驗證ESP32的無線通信性能。再來對整個系統(tǒng)的無線通信功能進(jìn)行測試。

整個系統(tǒng)搭建完成后,首先檢查NodeMCU-32S開發(fā)板和LT-163計量模塊之間的通訊是否正常,當(dāng)從計量模塊上讀取數(shù)據(jù)時或者說有通訊發(fā)生時,計量模塊的紅燈出現(xiàn)閃爍則說明兩個模塊之間的通訊正常。將負(fù)載連接到系統(tǒng)中,通過Wi-Fi和藍(lán)牙兩種不同的方式與ESP32建立連接,連接后均可接收到ESP32發(fā)來的電參數(shù)。

4 結(jié)語

本文在智能電表技術(shù)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,對基于ESP32 Wi-Fi&藍(lán)牙雙模組芯片的智能電表進(jìn)行了總體設(shè)計,重點(diǎn)對基于ESP32兩種強(qiáng)大的通信方式的智能電表的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究,并結(jié)合實際情況對本文設(shè)計的智能電表進(jìn)行了測試與完善,取得較好的效果。