泛在电力物联网感知节点设计孙浩晖

泛在电力物联网感知节点设计孙浩晖

孙浩晖

(华北水利水电大学河南郑州450011)

摘要：2019年泛在电力物联网建设大纲的发布，加快了泛在电力物联网的发展。泛在电力物联网感知节点是其重要、最基础的一部分，传统的感知节点只能采集现场数据，并不能融入物联网系统。本设计采用信息传感器采集物联网基础信息，将电力现场信息处理后通过ZIGBEE无线组网方式发送给中继控制器，中继控制器通过5G技术实现整个物联网信息的传送、共享。该节点系统重点预留了5G接口，能够实现快速、准确的融入泛在电力物联网中。

关键词：泛在电力物联网，ZIGBEE，STM32

0引言

在互联网技术与数字经济的强力冲击下，能源电力行业拥抱互联网的呼声日益高涨。2019年初，国家电网有限公司审时度势，创新性提出全面推进“三型两网”世界一流能源互联网企业的战略部署[1]。泛在电力物联网系统主要由电力网络云平台、通信系统、人工智能、边缘计算、感知节点组成，而感知节点则是其基础，为系统提供“物”的基本信息。传统的感知终端主要是由传感器组成，单纯的测量终端数据并不能对数据进行云共享，本文设计的感知节点在传感器的基础上加入信息处理、无线系统，实现终端信息数据的测量、计算、传送。

1系统的整体结构设计

系统总体框图如图1所示，该系统通过传感器组来实现终端信息的采集，根据不同的终端对象选取不同的传感器可实现多参数采集。如在家庭用户中，可加入电量计量传感器，通过电量计量计算分析家庭的用电曲线，实现家庭电量的智能控制。通过DS1302时钟芯片来计算时间，使采集数据时间更精确。无线发送则采用实时性更高的射频ZIGBEE模块来通信，ZigBee组网技术是一种功耗、距离、速率、成本都具有高性价比的无线通信技术。5G模块能够预留5G通信接口，适应泛在电力物联网的发展，能够快速、准确融入大系统中。系统主控制器采用32位单片机STM32F407为主控制器，ZIGBEE模块采用低功耗的CC1101模块。下面具体分析各个模块的工作原理和过程。

图1系统总体框图

2系统的硬件设计

系统硬件设计主要包括单片机最小系统、传感器电路、时钟电路、ZIGBEE无线模块电路、5G模块电路。

2.1单片机最小系统设计

单片机最小系统，或称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统[2]。对于STM32系列单片机来说，最小系统一般应该包括：电源电路、单片机、晶振电路、复位电路。电源可选用5-24V稳压源，经过稳压芯片稳压到3.3V作为单片机工作的电源。STM32F407单片机工作稳定、数据处理能力较大、外设接口丰富，能够完全满足系统的需要。晶振电路在电路设计中的作用是方便与单片机内部电路相结合，从而可以产生系统正常工作时单片机所需要的时钟频率。

单片机能够实现传感器信息的读取，在读取到信息后，经过软件滤波、边缘处理等计算得到计算信息，然后将处理后的信息通过无线通信发送给中继控制器，再由中继控制器处理并入整个泛在电力物联网中。

2.2传感器电路设计

系统通过传感器组来实现终端信息的采集，根据不同的终端对象选取不同的传感器可实现多参数采集。单片机留取IIC接口、SPI接口、串行接口用来与传感器模块连接，在选用传感器时要选用集成有这些接口的传感器模块。同时为了传感器的通用性，设置一路电压采集电路，将传感器接入放大电路[3]、滤波电路经单片机AD处理采集数据。

2.3时钟电路设计

时钟电路采用DS1302芯片电路，DS1302是一款简单、精确包含万年历的时钟芯片，能够方便的与单片机结合实现时间的读取写入[4]。DS1302是一个实时时钟芯片，可以提供秒、分、小时、日期、月、年等信息，并且还有软年自动调整的能力，可以通过配置AM/PM来决定采用24小时格式还是12小时格式。

2.4ZIGBEE模块电路设计

本次设计选用了2.4GHz的，以芯片CC2530为主要核心的ZigBee无线模块，在芯片CC2530通信串口与单片机传输数据时[5]，有两种传输方法，一个是异步通信UART模式，一个是同步通信模式，分别对应于芯片的USART0和USART1通信接口，两种通信模式实现的功能是一样的，都可以设置在单独的I/O引脚处，我们可选择异步通信。选用现有CC25530模块，共四个接口，分别是传输数据接口RX和TX，控制电源使用的VCC和GND，实现数据传输只需要TX和RX两根线，将RX端口与单片机的TX端口相连，TX端口与单片机的RX端口相连，电源VCC连接电源供电，GND接口接地，连接单片机上的GND接口，CC2530电路如图2所示。

图2CC2530硬件电路

4结束语

本文设计的泛在电力物联网感知节点系统把传感器应用、信息处理技术、无线通信几种技术知识结合在一起，实现了终端设备数据信息的采集、处理、发送、并网等。泛在电力物联网感知节点系统也为以后整个泛在电力物联网的发展提供了底层基础。在以STM32F407为控制核心的基础上，可以通过预留5G模块接口、网络接口、传感器接口等多种方法灵活设计节点，满足系统的通用性。

参考文献:

[1]朱怡.泛在电力物联网的关键是创新与互联[N].中国电力报,2019-06-01(002).

[2]李彬,王朝阳,卜涛,于学伟.基于MSP430F149的最小系统设计-国外电子测量技术2009,28(12)

[3]卢晓鹏.浅析SOP8封装LM358运算放大器的测试[J/OL].机电工程技术,2017.

[4]]张丽红,张国祥.基于51单片机的电子钟系统设计与仿真[J].电子世界,2018(20):134-135.

[5]夏伏洋,姜华.基于ZigBee和WIFI的甲醛检测系统设计[J].电子设计工程,2019,27(13):189-193.

作者信息：孙浩晖，