引言
隨著資源環境壓力的增大，低碳經濟和節能減排近來成為人們研究關注的熱點。圍繞著資源節約、環境友好的宏觀目標，“綠色信道”和無線傳感器網絡（WSN）成為一種可行性選擇。WSN是由多個節點組成的面向任務的無線自組織網絡。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息，通過嵌入式系統對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。“綠色通信”主要采用創新的高效功放、多載波、分布式、智能溫控等技術，配合靈活的站點場景模型，對基站進行積極改造，以達到降低能耗的目的。融合綠色通信與WSN技術的綠色傳感器網絡（GSN）可以實現有效地降低節點能耗，有利于延長傳感器節點的使用壽命，也減少了頻繁更換電池或廢棄帶來的其它環境問題。由于這些優勢，綠色傳感網在智能用電、樓宇傳感、環境監測系統中有著廣泛的應用前景。
1 綠色傳感網中的AMI
新興的智能電網技術涵蓋了發電、輸電、配電和用電的各個環節，對通信的實時性、可靠性及其功耗等提出了新的要求。將綠色傳感網絡技術應用于智能用電中，一方面是在智能用電的通信建設中設計各個層次上的算法和網絡協議，包括從物理層、信道編碼、媒介訪問控制層到路由、傳輸、應用層的優化和綜合考慮，以降低系統功耗，減少電磁輻射；另一方面是通過優化智能用電中的量測設備，實現更好的量測可靠性、穩定性及節能性。智能用電中的自動抄表（AMR)作為用電端智能化的基礎環節，已經開始向高級量測體系（AMI）過渡。AMI的實現成為智能電網技術實現的第一步。一般的AMI系統結構如圖1所示。
在設備上，AMI主要包括：可控電器、智能電表、采集器、集中器、數據處理中心以及多種抄表終端。在通信網絡上，AMI包括用戶戶內網絡（HAN）、智能電表與采集器之間的網絡、采集器與集中器之間的通信網絡（LAN)、數據集中器與數據處理中心的網絡（WAN）和客戶端訪問數據處理中心的網絡。智能電表作為實現AMI的基礎性設備，其設計和生產使用受到了業界的廣泛關注。2009年11月，中國國家電網公司發布了智能電表新標準，并于2010年首次集中招標智能電表2,000余萬只。在未來幾年內，我國計劃安裝1.3億只智能電表，智能抄表總投資將達到380億元。
2 電表部分的設計
智能電表在硬件系統設計上分為幾個主要模塊，包括：計量模塊、處理器模塊、RTC時鐘模塊、顯示模塊、存儲模塊、通訊模塊和電源模塊等。其中通訊模塊涉及到RS485、電力線載波、短距離無線通信等多種通訊方式的選擇。整個電表的系統設計框圖2所示。
引言
隨著資源環境壓力的增大，低碳經濟和節能減排近來成為人們研究關注的熱點。圍繞著資源節約、環境友好的宏觀目標，“綠色信道”和無線傳感器網絡（WSN）成為一種可行性選擇。WSN是由多個節點組成的面向任務的無線自組織網絡。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息，通過嵌入式系統對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。“綠色通信”主要采用創新的高效功放、多載波、分布式、智能溫控等技術，配合靈活的站點場景模型，對基站進行積極改造，以達到降低能耗的目的。融合綠色通信與WSN技術的綠色傳感器網絡（GSN）可以實現有效地降低節點能耗，有利于延長傳感器節點的使用壽命，也減少了頻繁更換電池或廢棄帶來的其它環境問題。由于這些優勢，綠色傳感網在智能用電、樓宇傳感、環境監測系統中有著廣泛的應用前景。
1 綠色傳感網中的AMI
新興的智能電網技術涵蓋了發電、輸電、配電和用電的各個環節，對通信的實時性、可靠性及其功耗等提出了新的要求。將綠色傳感網絡技術應用于智能用電中，一方面是在智能用電的通信建設中設計各個層次上的算法和網絡協議，包括從物理層、信道編碼、媒介訪問控制層到路由、傳輸、應用層的優化和綜合考慮，以降低系統功耗，減少電磁輻射；另一方面是通過優化智能用電中的量測設備，實現更好的量測可靠性、穩定性及節能性。智能用電中的自動抄表（AMR)作為用電端智能化的基礎環節，已經開始向高級量測體系（AMI）過渡。AMI的實現成為智能電網技術實現的第一步。一般的AMI系統結構如圖1所示。
在設備上，AMI主要包括：可控電器、智能電表、采集器、集中器、數據處理中心以及多種抄表終端。在通信網絡上，AMI包括用戶戶內網絡（HAN）、智能電表與采集器之間的網絡、采集器與集中器之間的通信網絡（LAN)、數據集中器與數據處理中心的網絡（WAN）和客戶端訪問數據處理中心的網絡。智能電表作為實現AMI的基礎性設備，其設計和生產使用受到了業界的廣泛關注。2009年11月，中國國家電網公司發布了智能電表新標準，并于2010年首次集中招標智能電表2,000余萬只。在未來幾年內，我國計劃安裝1.3億只智能電表，智能抄表總投資將達到380億元。
2 電表部分的設計
智能電表在硬件系統設計上分為幾個主要模塊，包括：計量模塊、處理器模塊、RTC時鐘模塊、顯示模塊、存儲模塊、通訊模塊和電源模塊等。其中通訊模塊涉及到RS485、電力線載波、短距離無線通信等多種通訊方式的選擇。整個電表的系統設計框圖2所示。
2.1 計量模塊
計量模塊是智能電表的核心模塊之一，將電流采樣和電壓采樣所得的信號進行運算，得到能量當量脈沖、電能品質參數等。計量芯片采用STPM01。該芯片前端集成了模擬的電流電壓采樣、放大、濾波和幅度、相位補償單元，后端則是DSP處理單元和SPI接口，可以計算出有功電能、無功電能、視在電能、電網頻率、電壓有效值和瞬時值以及電流有效值和瞬時值。計量模塊結構如圖3所示。
STPM01與處理器構成主從機模式計量方案。信號經過SPI口，通過ADUM1411四通道隔離器，連接至MCU的SPI管腳。MCU將初始化及校表信號發送給該計量模塊，修改其配置位APL、KMOT、MDIV、TMP等。STPM01則將配置狀態信息、計算測量數據發送給MCU模塊。此處，設置APL位為0，使電壓過零信號在MOP管腳輸出，看門狗信號在MON管腳輸出。配置KMOT位，在光耦隔離后輸出3000Pulse/kWh的視在功率脈沖。校表時，MCU向計量芯片的56位OTP存貯器寫入預設校表數據，需要修改時則可以在處理器模塊中調整參數值，再重新寫入。
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2.2 MCU模塊
處理器采用STM32F103，為基于Cortex-M3內核的32位微處理器，64管腳。處理器工作頻率為72MHz，內置128K
字節的Flash存儲器和20K
字節的SRAM。可采用7路通用DMA直接管理存儲器到存儲器、設備到存儲器和存儲器到設備的數據傳輸。電表的MCU模塊結構圖如圖4所示。
該模塊以處理器為核心，從SPI口接收STMP01送來的狀態信號和能量信息，通過I2C口擴展EEPROM存儲設備M24512R和RTC時鐘M41T83，通過USART接RS485通訊。在驅動LCD模塊時，除公用初始化引腳RESET外，還使用了6個處理器管腳作為控制端，其中PB2作為LCD背燈控制端，PB8腳為定時器引腳，作為LCD信號中斷請求使用。另外，按照STM32
的特性，設置BOOT0，BOOT1兩位值設為0X時，模式為讀取主閃存；設為11時，模式為讀取內置SRAM。
2.3 通訊及接口卡模塊
方案設計了RS485、電力線載波、紅外三種通信方式。其中電力線載波采用ST7570集成載波通訊芯片。接口設計了ESAM卡、Smart
Card以及miniUSB接口。其中，紅外通訊的電路圖如圖5所示。
2.4 電源模塊
電源采用開關電源結構，其設計示意圖如圖6所示。市電經過雷擊、過流保護、過壓保護，濾波，整流進入高頻變壓器，從變壓器二次側分成三路繞組，分別經KF50B電壓調節器穩壓后引出。一路給RS485通訊部分供電；一路又分為兩支，+12V一支直接給繼電器和電力載波供電，另一支經DC-DC變換后給MCU、喚醒電路供電；第三路則給隔離、比較器及其他部分模塊供電。控制開關部分采用VIPER27芯片，集成了一個電流PWM開關和N溝道的MOSFET，最小擊穿電壓為800V。二次側分成三路繞組引出，增加了一定的布線難度，但是簡化了電路模塊間的隔離。為減小電磁干擾，在輸出+12V繞組接一個330pF/100V電容，+5V輸出繞組接入330pF/2kV電容，在PG與地之間還單獨并入防串擾電容。
2.5 軟件部分設計
結合計量芯片的底層驅動程序，分模塊進行電表的軟件設計。軟件主要由初始化和系統管理主程序，時鐘模塊程序、顯示模塊程序、電源管理程序、通訊模塊程序和事件告警程序組成。其中通訊中的電力線載波、紅外按照用電部門既定規約通信。事件告警程序監控電表的過載、竊電和開蓋等事件。
3 wireless HART及抄表通信
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綠色傳感網各個層次已經有眾多的協議，如Direct
Diffusion，LEACH，S-MAC，ZigBee等等，配合拓撲結構，能夠提供豐富的冗余路徑，可以提高數據傳輸的可靠性，增強網絡抵抗環境干擾的能力。隨著AMI技術的發展，綠色傳感網用于智能抄表將是新趨勢，但是大多數無線抄表基于私有的通信協議，而wirelessHART建立在HART之上，是當前工業界使用最廣泛的國際標準。該協議與ZigBee的比較見表1。wirelessHART具有比ZigBee更高的可靠性、安全性以及更低的設備功耗，本設計中，采集器、集中器均用STM32F103處理器和CC2520收發機芯片。集中器則增加GPRS模塊，作為抄表遠程通信信道。抄表網絡結構示意圖如圖7所示,
每一個采集器懸掛16個智能電表單元，同時具有路由功能。網關為采集器現場設備和管理主站提供接口，向下通過wirelessHART無線網絡收集采集器的電表數據，向上通過GPRS將數據上傳到電力部門應用管理主機。
4 檢測
經過測試，該單相智能電表工作電壓為220VAC± 20%，頻率范圍為50Hz ± 10%，精度達到0.5級，Ib =5A,Imax=60A；可以實現四象限電能計量，電壓、電流參數、功率因數測量和顯示；快速數字校準和單線篡改檢測；可編程能量脈沖LED輸出；多費率、預付費帳戶管理等功能。交流電源和電池切換，功耗在交流模式時在3W范圍內，電池模式時小于6.5mA，待機模式時小于52μA。將電表通過RS485接到基于wirelessHART協議的采集器、集中器無線組網抄表，在實驗條件下進行測試，發射節點功率控制在50mW之內，通信距離在200m內，一次性采集成功率和周期性采集成功率均達到99%以上，電表運行正常。
5 結論
本文將綠色傳感網絡的技術理念應用于智能用電和AMI，設計了滿足要求的智能電表，電表使用STM32處理器，運行效率優于16位方案，而功耗增加不大。在綠色傳感網絡抄表實現上，將智能電表結合采集器作為傳感網中的網絡節點，使用wirelessHART協議構建抄表本地通信網絡，實現了電表的功能及智能抄表系統。通過協議與ZigBee協議相比較，該抄表系統在節點功耗、可靠性和安全性方面有一定提高。其特點還在于構建電表和系統的主要芯片基本在ST公司的產品框架內，簡化了對硬件維護升級。目前該智能電表方案已基本確定，而綠色傳感網絡技術應用于智能用電的潛力，如進一步降低系統功耗，提高AMI抗電磁干擾能力和通信效率，改善服務質量等尚有待更深入地挖掘研究。