一种用于电能表EMC测试的数据无线传输系统的实现

试验表明,在做电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility,EMC)抗扰度试验时,电能表实验装置通过串口线与PC机通信,时常会受到电磁干扰,造成数据错乱、丢失、通信中断。

Simplici TI协议支持星型和点对点2种网络拓扑。本文采用Simplici TI组建点对点的无线通信网络,自行设计无线通信设备,与电能表试验装置集成,实现远程无线实时监测并记录被试品的误差,满足JJF1245.1-2010《安装式电能表型式评价大纲通用要求》中关于电能表型式评价试验EMC部分的要求。与有线通信相比:首先,可以避免串口线引入的电磁干扰,保证数据正确传输;其次,不受布线的束缚,实现了测试部分与PC机在物理位置上分离,测试更加便捷。

无线电能表型式评价测试系统如图1所示。电能表试验装置为电能表提供电压、电流,读取电能表的脉冲并计算电能表的误差;无线网络协调器和无线终端负责无线通信;管理平台负责将接收到的数据包进行解包、存储、显示等。电能表试验装置通过RS232接口与无线终端连接,PC机通过RS232与无线网络协调器连接。电能表试验装置将测试结果通过无线终端转换成无线电信号转发给无线网络协调器,无线网络协调器再将收到的数据通过串口传给PC机管理平台,显示给测试人员。

处理器是无线网络终端和无线网络协调器的核心,无线收发、串口通信、组网建网、网络状态监控等均需在其协调下与其他模块一起完成。CC2530F256是一款工作在2.4GHz ISM频带,且符合IEEE 802.15.4和Zig Bee要求的片上系统。它内部集成了具有code prefetch功能的增强型低功耗8051内核、256KB Flash和8KBRAM,具有较强的数据处理能力和数据存储能力。搭配强大的AES安全协处理器,使无线通信更加安全。集成2个USART接口,可以支持多种串行通信协议。其前端设有工作在2.4G的无线收发器,符合国际无线电管理相关条例,具有可编程的发射功率,最高可达4.5d Bm。硬件支持CSMA/CA随机多址接入协议,适合搭建无线网络。

图1 无线电能表EMC型式评价实验系统

无线终端与无线网络协调器在软件设计上有所区别,在硬件组成上完全相同。其具体结构如图2所示,主要由CC2530射频模块、RS232通信接口模块、电源模块、系统指示灯模块、I/O接口等部分组成。RS232模块负责与服务器或电能表试验装置通信,电源模块采用电池供电,通过线性稳压为整改系统提供一个稳定的3.3V电压,系统指示灯模块用于显示当前组网状态和数据收发状态,扩展I/O口用于连接其他外部设备,增加节点的可扩展性。

图2 无线传感器网络设备系统架构

整改系统的核心是由CC2530F256和少量外围器件构成的射频模块,其中32M晶振在CPU进入Active/Idle Mode时工作,为系统提供系统时钟;32.768k Hz晶振当系统进入PM1 Mode时工作,此时32M晶振停止工作,从而降低系统功耗。

软件设计分为上位机管理软件、无线网络协调器软件和无线终端软件三部分。其中,上位机软件主要是接收通过网络协调器上传到PC机的数据,并对数据进行解析、显示、存储等操作。在无线通信部分,通信帧采用CRC校验,确保数据准确可靠。

无线网络协调器负责将接收到的无线信号封包,通过RS232接口上传给上位机管理平台。在与无线终端组网过程中,无线网络协调器上电启动后,首先进入监听状态。当收到从节点发来的接入请求信号后,负责分配连接ID。具体工作流程如图3所示。

图3 无线网络协调器工作流程图

无线网络终端与电能表试验装置通过RS232接口连接。负责接收电能表试验装置上传的检测信息,并将信息封包后通过无线电发送给上位机管理系统。在上电启动后,不停地发送加入请求信号帧,当收到回执后,网络连接建立。具体工作流程如图4所示。

图4 无线终端工作流程图

系统设计完成后,在我院电磁兼容实验室进行实验,该系统可以通过无线通信的方式远程正确读取、显示、记录电能表的实时误差。当无线网络协调器或无线终端两者之一被人为重启后,系统可以检测到网络连接失效并迅速重新组建网络,确保通信稳定可靠。

将无线传感器网络技术应用在电能表型式评价试验系统中,实现了无线远程实时监测电能表误差,满足JJF1245.1-2010中对电能表型式评价试验EMC部分的要求。采用无线通信方式,有效避免传输线路引入的电磁干扰,并采用CRC数据校验,确保数据传输的正确性。