基于窄带物联网技术的电量监控系统设计

王宪保,张展豪

(浙江工业大学 信息工程学院，杭州 310023)

0 引言

近年来，随着物联网和云计算技术的突飞猛进，智能电力仪表技术日新月异，抄表方式也由最初的人工抄表演进为通过RS485总线技术，再到如今常用的蓝牙、Zigbee、GPRS、LoRa等无线通信技术[1]。其中蓝牙技术覆盖范围只有几十米，仅适用于小范围。ZigBee技术的衍射能力和穿墙能力弱，不适用于障碍物密集度区域。GPRS因费用过高以及数据安全等问题，不适用于抄表。LoRa技术由于使用的是非授权频段，涉及到合法性问题，并且随其部署的增多会导致产生频谱干扰。因此需要一种结合物联网与云运算特性的新兴物联网通信技术，支撑起电网精益化管理与运营。

窄带物联网作为一种5 G时代新兴的物联网通信技术，采用3 GPP网络标准，利用运营商现有的基站网络，减少了基础设施建设，并于2017年开始进行大规模部署商用，其容量大、覆盖范围广、穿透力强、成本低廉、兼容性强、低功耗的特点，非常适合电力仪表的数据抄读[2]。目前，国内对NB-IoT技术的应用方向十分广泛，而将其集成在电力仪表的研究较少。因此，本文重点研究NB-IoT技术在电力仪表中的应用，设计了一种基于移远BC26系列通信模块和V9203计量芯片的电力仪表，对仪表的各硬件电路与软件算法进行详细论述。最后，在电量采集实验平台上对装置计量结果的精确性与准确性进行了验证，并将电量数据上传至云平台。

1 电力仪表功能设计

此电力仪表主要由电源电路、采样电路、NB-IoT无线通信电路和主控电路四部分组成。系统以STM32F030为智能电力仪表的 MCU，并以铁电RC16作为EEPROM。采样电路以V9203作为计量芯片。采用基于联发科MT2625芯片平台的BC26作为NB-IoT无线通信电路的模组。MCU分别通过SPI、I2C与计量芯片和存储芯片进行通信，MCU与NB-IoT模块之间通过串口发送“AT”指令进行交互实现数据传输。智能电力仪表硬件结构如图1所示。

图1 智能电力仪表硬件结构图

1.1 主控与存储芯片

本设计所用的主控芯片stm32f030是一款32位的基于ARM Cortex-M0内核的微控制器，该内核采用哈佛架构，工作频率可达到48 MHz，存储器可外部扩展。该芯片可工作在2.4～3.6 V的电压下。在通信接口上，该芯片支持UART、I2C、SPI等通信方式。该主控芯片功能强大、价格低廉、性能稳定、外设资源丰富，非常适合此款电力仪表的设计条件。

选用具有非易失性的铁电存储器MB85RC16对数据进行存储，与传统的EEPROM相比，MB85RC16的写入速度更快甚至能够进行无限次擦写操作，满足电力仪表频繁写入并保存电能数据的需求。且在掉电瞬间仍然可以保存数据，无需添加超级电容，降低仪表本身硬件成本。

1.2 电量采集电路设计

综合考虑，单SOC计量芯片架构不适用于功能复杂的电力仪表设计，单MCU方案软硬件设计复杂，此设计采用单片机加计量芯片的方案，单片机只需要驱动和读取计量芯片内部寄存器的数据，模数转换和复杂的计算由计量芯片完成，减少单片机执行的任务。本电力仪表采用的是杭州万工科技有限公司推出的V9203计量芯片。该芯片内部集成了一个数字信号处理器用于计算处理各电量参数，其计量精度高，有功无功在10 000:1的动态范围内，全波或基波的有功电能误差低于0.1%，跳差低于0.05%，能够测量各相全波或基波的电流电压的有效值和有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率等。该芯片除提供正常工作模式外，还支持电流预判模式、测量电流有效值模式和深度睡眠模式。并且该芯片支持软件校表，适用于三相三线或三相四线的应用，其功能如图2所示。

图2 计量芯片功能框图

此芯片电流电压采集测量管脚能够承受最大电压差为±200 mV，通过配置控制寄存器模拟增益与数字增益使得传感器输出信号与ADC满量程信号匹配。模拟信号转换为数字信号后，通过调整延时改变电流电压信号之间的相位差。V9203采用计算瞬时功率平均值获得有功功率。通过将采集到的电压信号做-90°相移再计算瞬时功率平均值获得无功功率。有功、无功电能计量采用电能累加模式，是通过芯片内电能累加寄存器获得[3]。电能累加即将计算得到的数值和寄存器中的电能值相加，新的值存到寄存器中。

1.2.1 电力仪表电流采样

电力仪表A路电流互感器电流信号采样电路如图3所示，B、C相同理。

图3 电流采样电路原理图

采用的电流互感器为ZMCT103Z，额定输入电流5 A,额定输出电流5 mA，支持1.2倍长时间输入，线性度为0.2%，精度为0.4%。A相电流通过电流互感器耦合为对应比例的二次侧电流小信号，经过负载电阻R39、R42转换为mV信号，再经过阻容低通滤波电路处理后接入到计量芯片管脚。

全波电流有效值的计算公式为：

Iarms=PGAdia×PGAia×Aia÷1.185

(1)

基波电流有效值的计算公式为：

(2)

式中PGAdia为A相电流通道的数字增益，PGAia 为 A相电流通道的模拟增益，Aia为A相电流模拟输入信号的幅度(V)，1.185为基准电压(V)[4]。

根据上述方法计算得到的是各通道信号的有效值，经过比差校正和二次补偿后，存于全波电压/电流有效值寄存器(R/W)和基波电压/电流有效值寄存器(R/W)。

1.2.2 电力仪表电压采样

电力仪表A相电压采样电路如图4所示，B、C相同理。

图4 电圧采样电路原理图

电压测量采用电阻分压方式，经6个串联的200 kΩ电阻分压成对应比例的mV信号，再经过由100欧电阻与0.1微法电容组成的低通滤波器滤除干扰信号，最终有用信号输入到计量芯片V9203的电压采样端口。

电压通道模拟信号的计算公式为:

Ua=PGAua×Aua×sinωi

(3)

式中，PGAua为A相电压通道的数字增益，Aua为A相电压模拟输入信号的幅度(V)。

1.3 显示功能设计

友好的人机交互显示界面是电力仪表的重要组成部分，本设计的显示界面采用256位的断码式液晶显示屏。单片机STM32的GPIO口与液晶显示模块HT1622的片选、位选、数据口连接，通过模拟时序的方式进行显示数据与控制指令的通讯，从而控制液晶显示屏显示对应界面与数据。HT1622的显示程序包括初始化程序、写数据程序、清零程序、结束时序程序等。液晶显示芯片电路原理如图5所示。

图5 液晶显示芯片HT1622电路原理图

1.4 误差校调功能设计

为解决仪表电子元器件精度问题导致采样误差，采用软件校表的方式获得仪表与标准源的误差值，计量芯片V9203根据误差值计算出校准系数，再将校准系数存入单片机FLASH中。当程序运行时，将校准系数写入V9203的寄存器中，计量芯片按照配置过的校准系数运行和计算，能够达到要求的计量精度。

1.5 NB-IoT通信单元

NB-IoT在物联网领域中是一项新兴的技术，其成本低、覆盖面积广、支持海量连接，但带宽低、数据传输速度慢、工作频率较低，适用于各类仪表设备的远程抄表与智慧管理，很好地解决了仪表数据的远距离传输问题[5]。NB-IoT云管端的组网方式由用户设备终端、NB-IoT基站、核心网、物联网云平台以及行业应用设备构成。NB-IoT设备终端通过空口连接到基站，并通过S1-lite接口与IoT核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层网元处理。IoT核心网承担与终端非接入层交互的功能，并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理。IoT平台汇聚从各种接入网得到的IoT数据，并根据不同类型转发至相应的业务应用器进行处理[6]。应用服务器是IoT数据的最终汇聚点，根据客户的需求进行数据处理等操作。NB-IoT的一个突出特点是采集后的数据可以直接上传到云端，无需通过网关，简化了部署流程[7]。NB-IoT设备安装物联网卡后接入NB-IoT网络，并通过基站收发信息，再通过核心网连接基站与物联网云平台，物联网云平台通过运算与处理将最终数据发送到用户设备终端。NB-IoT的网络架构如图6所示。

图6 NB-IOT网络架构图

NB-IoT与目前主流物联网技术4G、WIFI、GPRS的性能参数比较如表1所示。

表1 当前主流物联网技术对比

无线通信部分采用移远的BC26模块实现通信，相比于4 G模块通信发送信号瞬间电流需要3 A，2 G通信模块需要2 A，而BC26仅需0.5 A，减轻了电源电流输出的要求。BC26是一款低功耗窄带物联网(NB-IoT)通信模块，采用易于焊接的LCC封装，尺寸只有2.0 mm×15 .8 mm×17.7 mm，支持丰富的外部接口和协议栈，具备OpenCPU的功能同时也可以接入OneNET、EasyIoT、OceanConnect等物联网云平台，是物联网应用领域的合适选择，其工作温度范围在-35～+75 ℃之间，适合电力仪表工作环境[8]。BC26的供电电压范围为2.1～3.63 V，本设计采用典型供电电压3.3 V，模组内嵌USIM接口，支持1.8 V的USIM卡。本设计中单片机与BC26模块之间通过串口进行数据交互，STM32F030和BC26模块均使用3.3 V供电，可以直接将BC26模块的发送和接收管脚连接到单片机的串口对应管脚进行串口通信。BC26提供唤醒状态、轻休眠状态和深度休眠状态3种工作状态，在省电模式(PSM)状态下电流仅为3.8微安。NB-IoT模块BC26电路原理如图7所示。

图7 NB-IoT模块BC26电路原理图

2 数据上传至云平台

本设计通过BC26对数据发送，单片机通过串口发送“AT”指令实现用户设备与云平台连接，本方案使用的是物联网开放平台OneNET。OneNET是中国移动打造的定位为PaaS服务的物联网云平台，在物联网应用与设备之间搭建完成了高效、稳定、安全的桥梁，其可扩展性的架构解决了大部分的接入难题[9]。该平台适配常用传输协议，使得终端设备快速接入，方便管理。在应用层，OneNET提供了丰富的API，能够满足各行各业对应用系统的需求。API作为应用程序接口，由预先定义的一些函数组成。通过这些功能集使得各不同平台实现数据共享，开发人员在无需深入理解内部细节的情况下能够访问例程，调用并获取数据[10]。OneNET就是这种开放式API，具有设备接入、监控管理、实时控制、数据存储分析、消息分发等功能，帮助开发者快速构建各种IoT设备。物联网行业研发人员在OneNET的基础上可以将重心投入到物联网终端设备的研发上，而减少在环境搭建上的耗时，缩短研发周期，降低企业运维成本。设计中采用的LwM2M(Lightweight Machine-To-Machine)协议是一种轻量级的M2M协议，主要面向的对象是窄带物联网领域下的物联网应用[11]。LwM2M协议通过引导接口、客户端注册接口、客户管理与服务实现接口、信息上报接口来实现数据的传输。BC26接入云平台的流程如图8所示。

图8 BC26接入云平台的流程

BC26模块通过使用AT指令采用LwM2M协议对接OneNET云平台的步骤如下所示：

1)使用AT+CGPADDR=1指令检查分配的IP地址以获得默认的PND；

2)使用AT+MIPLCREATE指令创建OneNET通信套件实例；

3)使用AT+MIPLADDOBJ指令添加一个LwM2M对象

4)使用AT+MIPLOPEN指令发送注册请求；

5)使用AT+MIPLOBSERVERSP指令回应观察资源的反馈；

6)使用AT+MIPLDISCOVERRSP指令响应发现请求；

7)使用AT+MIPLNOTIFY指令发送数据到OneNET平台；

8)使用AT+MIPLUPDATE指令发送更新数据请求。

3 实验

3.1 仪表电量参数测量结果

实验使用精度为0.005%三相标准源(STR3030A)，在常温状态下对电表的电流、电压、有功功率、无功功率等电量进行测量。

其中计算误差的公式为：误差=(施加值-测量平均值)/额定值。

3.1.1 电流有效值精度分析

由于三相电流采样原理相同，这里对A相电流数据进行分析。在电压相同的情况下，选取电流分别为1A、2A、3A、4A、5A时进行测量。电流参数测试结果如表2所示。

表2 电流有效值的实验测量结果与误差

3.1.2 电压有效值精度分析

电压的测量和电流一样只选用A相数据分析，结合电力仪表在实际情况下测量的电压，选择100 V、200 V、220 V、380 V的结果进行分析。电压参数测试结果如表3所示。

表3 电压有效值的实验测量结果与误差

3.1.3 基本电量参数分析

基本电量参数分析同样选取A相测量结果，对仪表A相施加220 V电压，5 A电流，夹角60°来测量有功功率、无功功率、视在功率和功率因数。电量参数测试结果如表4所示。

表4 电量参数的实验测量结果与误差

3.2 电力监控云平台功能测试

本设计以中国移动物联网交换平台作为数据交互中心，仪表测量的电量参数设置为每隔30 s上传至云平台一次。服务器由API接口将电量数据推送到OneNET云平台，数据在云平台转发和存储，实现了远程监控功能的物联网架构，用户可以在前端网页上进行实时监控，且历史数据不会丢失。此外，在OneNET云平台添加报警触发器，当仪表测量并上传至云平台的电量参数高于或低于设定阈值会进行报警。如图9所示云平台以表盘的方式实时显示当前时刻的电量，以折线的方式展示实时用电情况。

图9 电力监测云平台

4 结束语

本文设计的基于窄带物联网技术的电力仪表，具有对电流、电压、频率、有功功率、功率因数等同时进行测量的功能，根据试验测试结果分析精度达到0.5级，在工业计量等领域中应用，可替代多个传统的模拟或数字测量仪表，大大降低系统成本。同时可实现低功耗、远距离的无线传输，避免了现场布线，满足仪表复杂的现场安装环境的要求。采用NB-IoT技术可直接接入核心网，无需另外安装网关设备，提高系统安全性。此方案采用模块化设计，便于日后升级改造。在此基础之上搭建智慧监测云平台，能够准确、快速地获知各个用电环节的电量数据，实现数据可视化，有效地进行用电量分析、负荷管理、运行状况监测，在工业物联网迅猛发展的前景下具有较为广泛的应用。