基于Wi-SUN 无线通信技术的碳采集计量系统的设计

陈建强，程力杰，张 赢

（安徽南瑞中天电力电子有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

电力工业作为我国的基础民生保障行业，在碳排放方面占比较大。在2018 年国际能源署发布的数据中显示，我国电力和供热行业的碳排放约占51%，交通运输、民生行业等共占21%，其他工业占28%[1-4]。

近年来，国家电网公司为实现“碳达峰、碳中和”目标，率先发布国网“碳行动”方案，并在国家电网《关于促进能源电力消费侧“碳达峰、碳中和”工作的指导意见》（〔2021〕196 号）中指出，实现“碳达峰、碳中和”目标，一方面需要能源电力从高碳向低碳、从以化石能源为主向以清洁能源为主转变，对能源电力消费侧从电气化替代、能效提升、需求响应三个方面加强建设；另一方面还需要对碳排放进行精准计量，才可以对客户的碳排放进行精准监测，对“碳达峰”和“碳中和”的实施措施进行精准评价[5-7]。根据我国的“双碳”政策，对电力工业生产过程中碳排放的监测和计量是势在必行的。

目前，我国在碳排放的监测与计量领域暂时没有明确的标准和体系。为了响应市场需求，也为积极响应国家电网公司的号召，本公司依托于自身现有平台，研发基于Wi-SUN无线通信技术的碳采集计量系统，满足国家电网对数据统计常态化的要求，完善能耗和碳排放监测体系，对于“双碳”行动的开展具有重要的意义。

1 系统方案

本文研究了基于Wi-SUN 无线通信技术[8-9]的碳采集计量系统实现方法，研制出一套集碳排放监测、采集、计量功能于一身的系统，并开展定点应用。系统架构示意图如图1所示。碳采集器通过Wi-SUN 与电力碳计量检测分析系统连接，碳传感器提供RS 485 与碳采集器连接，碳采集器之间通过Wi-SUN 连接。该系统以Wi-SUN 无线通信模块为基础，与上层应用完成mesh 组网，深度融合各类碳传感器，依托碳传感器的监测功能，完成碳排放数据的初步提取，随后经过碳采集器内置的算法，对数据进行处理，实现碳排放数据的转换，并依托其无线通信功能，将采集计量到的数据上传到上层应用之中。

图1 系统架构示意图

2 硬件设计

基于“模块化”和“平台化”的设计思路，该设计采用了标准化原理图和印制版图设计的方式，其硬件结构如图2所示，主要包含MCU（型号VC7300B）、碳传感器采集模块、Wi-SUN 模块、RS 485 通信模块、512 KB 铁电存储器、RTC时钟芯片、SGM706 看门狗芯片。

图2 硬件架构

2.1 碳采集模块

碳采集模块包括碳传感器和碳采集器。碳传感器选用专业传感器探头作为核心监测器件，可对水、热、电、温湿度、噪声，以及二氧化碳、二氧化硫、氟利昂等十数种温室气体进行监测。其工作电源为12 V，采用RS 485 作为数据传输通道，以外接的方式与碳采集器连接，并进行碳排放数据的传输。该模块具有精度高、采集范围大的特点。

2.2 Wi-SUN 无线通信模块

Wi-SUN 无线通信模块采用LSD4RF 系列芯片作为通信主芯片[10-11]。使用Node 端模组的APP UART 接口与本地MCU 接口交互，同时附带一个调试串口，用于开发调试工作。该模块集成安装在碳采集器的内部，通过排线方式连接。碳采集器为通信模块提供12 V 直流工作电源，Wi-SUN 无线通信模块接口硬件设计如图3 所示。

图3 Wi-SUN 无线通信模块接口

2.3 碳采集器采集接口设计

设计一路串口转外部RS 485 通信，碳采集器通过RS 485 可以采集碳传感器监测到的碳排放数据。设计防电磁干扰和防雷击的ESD 保护电路，并采用电磁隔离的保护措施，使RS 485 电路与主MCU 完全隔离开来，极大地增强了电路的稳定性和安全性。

2.4 存储设计

在储存方面，设计了长寿命的512 KB 铁电储存器，用于存储mesh 组网基本配置参数以及采集到的碳排放数据。

3 软件设计

软件开发以模组内IPv6 无线通信协议栈为基础。编译环境基于GCC 编译工具链，调试环境基于shell 软件工具的日志信息打印查看。此项目针对Wi-SUN 无线通信的边缘路由端和节点端分别有两个独立的工程环境。前者负责网络的NMS 管理服务，后者负责具体的数据采集任务。

3.1 驱动层软件功能设计

驱动层兼顾边缘路由端工程和节点采集端工程通用的设计理念，采用模块化设计和接口封装出口统一的软件框架。本方案底层驱动分为通用IO 驱动、NV 非易失性存储驱动、UART 口驱动、网络UDP 驱动等。每种驱动分别建立一个C文件和一个H 文件，便于统一管理，且都具有初始化、读、写、控制功能。

3.2 协议层软件功能设计

软件功能主要是通信及协议处理。边缘路由主节点和上层间通过USB 虚拟出来的串口作为物理通道。为了适配微功率无线组网中的小无线通信，本方案的Wi-SUN 无线通信采用Q/GDW 1376.2 通信协议。采集器上搭载的叶子从节点与边缘路由节点之间通过无线射频传输作为物理通道；使用面向对象的用电信息数据交换协议DLT698.45，用于采集终端、电表之间的通信数据交换以及水、气、热等表计的数据采集。针对NODE 节点采集器增加了AT 指令集协议，方便配置、查看、操作相关功能，见表1 所列。

表1 AT 指令集协议

3.3 网络服务层软件功能设计

网络服务的功能重点在BR 边缘路由主节点的中继转发模块上。BR 模组主要功能为无线网络管理、路由信息管理、从设备在线状态检测等，并提供数据转发、设备状态上报等接口功能。

无线网络管理功能：包括自组网功能和网络自我修复功能。模组作为边缘主节点，管理从节点的组网对接以及无线数据通信功能。

路由信息管理功能：可管理任一入网从节点的网络拓扑路线信息，便于了解集散分部的从节点在通信过程中的网络变换（入网节点中实时寻找最优化的无线通信链路），也方便在使用过程中进行维护。

设备在线状态检测功能：可及时向主站上报设备入网和离网的状态信息，以便主站注册和动态更新采集设备。

协议转换和数据转发功能：将碳采集器主体部分需要转发给从节点模块的数据移交给BR 模组，BR 模组根据移交数据中的MAC 地址判别出主站定点发送的从节点，提取转发主体数据后，通过无线网络转发给采集器。

3.4 应用层软件功能设计

软件系统使用Contiki 操作系统，该系统资源占用极低，适合在存储资源紧张的微控制器中使用。Contiki 由几个独立的模块组成，包括类似线程的多任务事件驱动库、uIP 协议栈、无线传感网络协议等，结合Wi-SUN 无线通信技术进行扩展，便于各种通信任务的处理。

本系统属于分散式系统，数据采集器被分布在需要的场地中进行相关数据采集，采集器种类各不相同。本方案对所有采集器烧录同一版程序，通过出厂配置定义出采集器的设备类型，根据不同类型查找对应的采集程序。一种设备类型对应传感器设备在线检测方法、读取传感器设备数据方法以及传感器设备数据回传后的处理流程。采集过程设定为每隔1 s 进行一次数据采集，将获得的数据进行计算存储。采集器的软件流程如图4 所示。

图4 采集器的软件流程

本采集器的软件设计具备较强的可扩展性，如需增加采集设备，只需在传感器数据获取的方法表中添加对应的采集流程即可。

3.5 存储功能设计

本系统中包含两块系统存储区域：一是模组本身的NV非易失性存储器，该存储器速度较快；二是通过I2C 接口连接的外部铁电存储器，用于存储配置参数信息和网络数据信息，该存储器具备防掉电功能。另外，为保证存储的可靠性，本系统将两块存储区域互为备份。

4 测试验证

为了验证基于Wi-SUN 无线通信技术的碳采集计量系统设计的性能，开展了两个方面的测试验证：碳采集功能验证和碳采集器Wi-SUN 自组网验证。实验验证结果表明，本设计在功能和性能上满足设计目标和要求，部分性能超出既定的目标要求。

4.1 碳采集功能验证

搭建测试环境如图5 所示，使用12 V 电源为设计的碳采集器样机和碳传感器样机供电，将二者通过RS 485 连接构成系统。待系统正常工作后，通过碳采集器预留的调试串口来监测采集的数据，进行测试。

图5 测试环境

将碳传感器通过USB 转TTL 正确连接至电脑，可以看到正确的COM 口，打开串口助手监测工具，根据采集器所设置的波特率等参数正确建立连接。使用AT 指令查看具体的碳采集数据，采集测试结果见表2 所列，各项测试均满足预期要求。

表2 碳采集功能测试

4.2 碳采集器Wi-SUN 自组网验证

搭建测试环境，将各个碳采集器和传感器正确连接并供电，分散放置于楼层的各个办公室内。使用网关作为上层设备，准备组网并接收碳采集器的组网信息和上传数据，并放置于楼层中心。待系统正常工作后，使用MobarXterm 监测软件进行组网测试。

将网关通过USB 转TTL 正确连接电脑，打开监测软件MobarXterm，根据网关的波特率等参数使用串口模式建立连接。使用AT 指令来查看各个碳采集器与网关的自组网数据，具体测试结果见表3 所列。

表3 碳采集器Wi-SUN 自组网测试

5 结 语

本设计实现了基于Wi-SUN 无线通信技术的碳采集计量系统，可广泛用于电力生产过程中的碳排放监测，弥补了当前我国电力行业碳排放控制能力的不足。同时本系统的设计也响应了国家的低碳政策，在一定程度上也为国家电力行业实现“碳达峰、碳中和”的目标奠定了技术基础，为温室气体排放的监测提供了有效的手段，有利于推进实现减污降碳的协同控制和生态环境的改善，推进国家生态文明建设。