基于无线传感器网络的光伏逆变器电压实时监测系统设计

林倩 汪玫倩

摘要：针对现有电能采集系统存在测量精度不够、软硬件设计复杂、环境受限和成本高等问题，设计了一种基于无线传感器网络的光伏逆变器电压实时监测系统，实现电网电压的多节点实时传输、测量和显示。系统以STM32为主控芯片，结合电能计量芯片和Zigbee技术实现电网电压信号的实时传输和监测，并通过上位机系统实现了多节点电压的实时采集、显示和数据处理。测试结果表明，各节点采集获得的基波三相电压均达到100 V以上，具有实时性、准确性和稳定性。

关键词：无线传感器网络；STM32；电能计量芯片；电压采集系统

中图分类号：

TN710-34

文献标志码：A

目前，电力电子和计算机的迅猛发展催生了各种多样化的供电装置。非线性供电装置的广泛应用导致电网中电能品质显著下降，使供电装置的测量与跟踪变得更加复杂[1]。许多研究者对电力采集系统进行了深入探讨，如基于ARM+DSP的电能质量数据采集系统，具有稳定可靠、扩展灵活、友好的人机交互界面等特点[2]，然而，测量波动与闪变时的精度无法进一步提高。结合采集终端和GPRS传输技术可实时自动抄收用户用电信息，但系统的适应能力有限，不适用于特殊供电环境[3]。具有自诊断功能的电能信息采集与监控系统包括操作系统平台、主机平台、软件平台、数据库模型和系统应用界面，但系统成本较高且部署过于集中[4]。为提高电表数据的接收和发送可靠性，结合ARM+ATT7022E电能计量芯片和LoRa网关实现了远程充值和缴费功能，但测量精度有待提高[5]。采用嵌入式技术构建的智能电网电能信息采集系统，通过OPNET网络仿真软件提高了数据传输的可靠性，但是系统通信方式众多，每种通信方式均需搭配专属驱动，工作量庞大，暂未完成所有通信方式的智能化分配[6]。采用LoRa和GPRS通信搭建的基于ARM的远程电能采集系统测量精度高，但测点较多导致加载较慢，延长采集间隔，降低了系统获取数据的实时性[7-8]。综上所述，目前有关电能采集系统的研究较多，但存在精度低、环境不适用、软硬件设计复杂和成本高等问题。为了提高现有电网系统的实时性和准确率，结合Zigbee[9]的低功耗、抗干扰和自组网等特点设计了一个光伏逆变器电压实时监测系统，采用高精度的电能计量芯片准确采集和实时监测电网电能信号，通过连接串口通信和上位机，方便用户进行管理和维护，提高系统的易用性和可靠性。

1 系统总体设计与工作原理

系统主要由供电模块、降压隔离模块、采样测量模块（电能计量芯片）、通信模块、OLED显示模块和上位机等六部分组成（图1）。其中，供电模块为通信模块提供工作电压；降压隔离模块将220 V交流电转换为系统所需5 V直流电，采样测量模块通过电能计量芯片来采集和计量电压，利用分压测量方式和锰铜电阻进行电流采样，获得单相电流和电压的模拟量数据，传输至电能计量芯片进行计量；通信模块采用Zigbee技术实现数据无线传输；OLED显示屏直观显示电流和电压等数据信息；上位机系统通过对数据的处理、分析和存储，实现电能计量和监控。

系统总体原理图如图2所示，采用电能计量芯片HLW8032对电能进行采集，电能计量芯片HLW8032利用内置模数变换器将模拟电压信号转化为数字信号，通过光电耦合电路PS2501与主控模块STM32F103进行通信。主控模块STM32微控制器负责解析和计算从电能计量芯片HLW8032接收到的数据。显示屏OLED通过串口与主控制模块STM32F103进行通信，读出并显示电压信息，同时通过串口将数据传送给上位机。上位机实时接收这些数据，并以xlsx格式存储。

2 硬件设计

2.1 采样电路设计

采样电路使用电能计量芯片HLW8032进行高精度的电能采集，电路如图3所示。

芯片内部集成了两个A/D数模转换器和一个电能计量内核，采用异步串行通信方式，利用光电耦合电路进行隔离。采样测量时，电流信号经过锰铜电阻，将火线与零线之间的电压值转换为电流模拟量并输入电能计量芯片。电压信号经过电阻分压，将电流值转化为电压模拟量输入电能计量芯片。电能计量芯片的IP和IN引脚与采样电阻相连，将获取的电流信号通过芯片内部的ADC转换为MCU可读取的电流值。PF和TX引脚直接与MCU相连，主控MCU采用具有高效通信和高速计算能力的STM32微控制器。在电能计量芯片的电源端，并联两个小电容用于滤除电网的高频和低频噪声，确保电能计量芯片接收到准确稳定的电流和电压信号。通过建立上述通信电路，实现MCU对电能计量芯片的控制和数据读取及对电能计量和其他功能的操作和监测。电压有效值和电能用量的计量如式（1）-（4）所示[10]

有效电压=电压参数寄存器电压寄存器×电压系数（1）

1度电的脉冲数量=1功率参数寄存器×1电压系数×109×3600（2）

PFcnt=k65536+n（3）

电能用量=PFcnt1度电的脉冲数量（4）

其中，PFcnt表示PF寄存器（PFREG）的脉冲信号数量；k是数据更新寄存器（Data Updata REG）的bit7的取反次数；n是PF寄存器值。

2.2 ZigBee通信电路设计

CC2530是一种低成本芯片，适用于ZigBee组网应用，具有高度集成的片上系统，芯片内部集成了增强型8051微处理器和先进的微功率无线射频设备[11]。同时支持电源管理功能，提供多种工作模式，可作为射频收发芯片和嵌入式终端的处理器，具有显著降低成本，提高系统可靠性的优势。采用CC2530芯片作为射频收发器和处理器可实现嵌入式终端与其他设备之间的无线通信，通过与ZigBee设备通信，建立稳定可靠的网络节点，实现各种智能控制和数据传输功能，具体电路设计如图4所示。

2.3 OLED显示电路设计

显示部分采用六针的SPI/IIC OLED模块，该模块具有低驱动电压和低能耗等优点，可满足便携及低功耗应用场合需求。接线时，GND引脚接地，VCC引脚接电源供电，SCL引脚接时钟信号，SDA引脚接数据线，RES引脚接复位，DC引脚既可用于数据传输也可用于命令控制。为与MCU进行通信，OLED显示屏采用SPI总线。MCU可以通过控制时钟信号和数据线的状态向OLED显示屏发送指令和数据以控制显示内容，具体电路设计如图5所示。

2.4 隔离通信模块

为实现隔离通信，系统使用光电耦合电路进行强弱电隔离[12]，将外部的220V电源与内部电能计量芯片隔离，显著提高系统的可靠性、稳定性，并增强抗干扰能力。如图6所示，光电耦合隔离电路能够实现信号的单向传输，可通过UART接口与MCU进行数据通信。TX引脚发送数据，RX引脚接收数据。

3 系统软件设计

系统软件部分由多个驱动程序代码组成，包括电能计量芯片驱动程序、CC2530接口收发控制接口程序、STM32控制程序和OLED显示驱动程序等。其中，电能计量芯片的驱动程序包括SPI接口的初始化、写寄存器、读寄存器、读取电压和电能等寄存器的函数，可实现对电能计量芯片的控制和数据读取；CC2530接口程序包括初始化、信道搜索、监听网络状态、监测信号、判断信号类型、采集、解析和发送等函数，可实现与CC2530无线模块的通讯和数据交互；STM32通过USART1接口提供初始化设置、发送数据、接收数据、中断服务程序和波特率设置等函数，可实现与其他设备的串口通信和数据交换；OLED显示驱动程序主要包含屏幕的显示控制和字符显示等相关函数，可在OLED屏幕上显示各种信息。

系统软件流程如图7所示，完成所有电路连接后，首先打开电源，整个电路系统开始初始化。STM32微控制器通过SPI接口向电能计量芯片HLW8032发送读取指令。然后，电能计量芯片HLW8032将采集到的电压值存储在相应寄存器中，STM32通过SPI接口连接电能计量芯片HLW8032读取寄存器中的数据。随后，STM32微控制器对接收到的数据进行解析，并利用HLW8032的电压计算公式将解析到的数据转换为实际电压值。最后，将计算得到的电压值存储在数组中，并通过OLED显示屏和上位机以可视化的形式显示。

为更好的实现数据可视化，采用Visual Studio 编程生成上位机窗口，实时监测接收的数据，并以波形的形式展示。该窗口可以直观地显示电压的变化，同时将采集到的数据以xlsx格式进行存储。

4 系统软硬件调试

根据设计要求，系统主要分为强电部分和弱电部分，其中强电电路主要用于电压转换和采集，而弱电部分采用多节点结构实现电压的实时采集、传输、显示与数据处理。测试共采集100组数据，并对采集结果进行多次均值处理。测得的基波A、B、C相电压均达到100 V以上，满足设计需求，并且能够以波形的方式直观显示各个节点电压值在一段时间内的变化形式（图8）。实验结果表明，系统的数据采集和上位机设计均达到了理想的设计目标，实现了远程通信及电参数的智能化和便利化采集。

5 结论

本文设计了一款基于STM32和电能计量芯片的光伏逆变器电压实时监测系统。通过Zigbee技术与Visual Studio 2022实现多节点电压信号的实时采集、传输、数据处理和显示。相比其他系统，该系统的硬件结构衔接良好，可实时准确的采集三相电网参数、实时监测和显示电网电能信号，及时反馈电网状态的变化情况，有效降低了能耗和成本，提高了系统的可靠性和稳定性，能够满足电能监测领域的需求。

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Design of Real-time Monitoring System for Photovoltaic Inverter Voltage

Based on Wireless Sensor Network

LIN Qian， WANG Mei-qian

（School of Physics and Electronic Information Engineering， Qinghai

Minzu University， Xining 810007， China）

Abstract：

Due to the problems of insufficient measurement accuracy， complex software and hardware design， inapplicable environment and high cost for the previous electric energy acquisition system， a photovoltaic inverter voltage real-time monitoring system based on the wireless sensor network technology was designed， which is aimed to realize real-time measurement and display of power grid power signals. STM32 was used as the main control chip， combined with electric energy metering chip and Zigbee technology to realize the real-time monitoring of grid voltage， and real-time acquisition. The transmission， display and data processing of multi-node voltage can be realized through the host computer system. The test results show that the acquired fundamental three-phase voltage all reach more than 100V， and this system has the advantages of strong real-time， accuracy and stability.

Keywords：

wireless sensor network; STM32;electric energy metering chip; voltage acquisition system