传感器测量电参数

传感器网络测量电气参数

摘要——本文介绍了用来测量各电器参数的传感器网络的设计，考虑到所有需要的部件都是市场上的商品。这项工作是面向整合这些现有设备并给予额外的功能。由软件提供最终的功能和使用的组件之间的连接。本文特别考虑到软件的结构。描述的系统变成一种工具用于能源效率的应用。

一 引言

节能变得越来越重要。第一步，在能够测量功耗的每个负荷节省能耗。所有电气设备，家庭和工业，包括仪表。有安装一个全球消费量的控制的可能性。经验告诉我们,这就是为什么分布式测量必须知道消每个负荷在每一个瞬间的电气参数，以便能够采取节能行动。 目前最先进的国家电子发展已经产生了智能传感器和通信系统的全面测试和高品质[1]。所有这些设备启用了一个无缝的一体化进程发展的高品质和功能丰富的测量系统。目前的工作显示了传感器网络的设计，商业以及测试设备的基础上测量电气参数。

有几种方法可以测量电参数。它有可能只是感应电压和电流信号，并用它在模拟域。也可以将信号的数字域利用ADC,然后他们可以很容易地通过一个处理器[2][3][6]。智能传感器提供的措施，在一个透明的方式执行所有必需的进程探头的测量值[4][5]。测量值必须交给转换为一个目的地点使用，所以需要一个通信系统。以前的作品类似使用直接的有线通信媒体工具[2][4][5]。一些最新的设计使用电力线通信这样的新型通信系统(PLC) [6]。一些使用ZigBee无线通信系统。 测量电气参数（有功，无功和视）的功耗，电压，电流，频率和一些线路质量参数，如停电期间，电压和电流峰值。 接下来的章节中详细描述拟议文书。第二节给出了一般的系统概述。硬件架构是显示在第三部分。第四部分将介绍系统功能。第五部分描述了软件的结构。这是一个非常重要的一点,因为大多数的系统功能是软件所赋予的。最后,第VI部分显示结果。

二 一般系统概述

关于传感器网络的拓扑结构，两种网络元素是必需的。这两类节点被称为测量(MN现在)以及集线器节点(CN现在)。MN包括测量传感器，它安装在兴趣点测量。CN作为网络协调和信息修正，它不包括测量传感器。

所有MN，其测量数据发送到CN。CN得到关联与控制系统上传所有收集到的数据。图1显示的网络结构。

传感器网络的关键部件是测量和通信系统，他们必须以某种方式联系在一起，需要一些控制逻辑来管理所有组件。这种控制是由一个微处理器上运行的软件。让我们来看看这些要点详细。

A.电气参数传感器

在这项工作中使用智能传感器，ADI公司的ADE7753 [7]。它属于的ADE77XX器件系列。该设备的主要特点是单相测量电压和电流，频率，主动，被动和无功的能量值（误差在0.1％以下）和一些线路质量参数，如电压和电流的峰。ADE7753连接到外部处理器使用SPI接口和中断行异步通告。ADE7753允许几种类型，如分流电阻的电压和电流探头，电流互感器和di / dt输入。 选取的电压和电流探头与负载型和电化隔离的要求。国内的低压设备,一个简单的电阻分压器可以用作电压探测器。在这种情况下，使用电隔离是必须的中等电压测量，并提供像霍尔效应为基础的高隔离探头。电流探头的一个关键因素是夹层探头，电源线的需要。夹层的探头并不总是可能的，一样，电流互感器Rogowski线圈，感应探头在这些情况下使用。图2显示了典型的有或无夹层探头连接的情况。这两种情况下，这项工作已通过测试。不能轻易拔出的负载连接到MN使用Rogowski线圈[8]作为电流探头。对于家电或任何设备连接一个插头，与MN男女插座已被夹层。第二种情况Allegro ACS750[9]传感器基于霍尔效应已被用作电流探头。作为一个电阻分压器电压探头已在这两种情况下使用。ADE7753包括允许直接连接到Rogowski线圈di / dt的输入。

B.通信系统 为了使安装过程更容易，避免额外的布线，选择安装一个无线通信系统。通信量较低,低消费需求。IEEE标准的802.15.4[10]已被选择。它属于无线个人区局域网络（WPAN）的组。一个微型芯片模块Picdem Z[11]基础上[12]MRD24J40芯片已经被使用。该模块包括一个PCB天线。 网络上有一个树结构。

CN作为网络PAN协调和MN作为终端节点的作用。

图2：没有夹层（左）和夹层（右）与探头连接。

C.控制模块 - CPU

由于成本和规模的原因，微控制器是用来控制CPU。这些设备包括所有需要的外设（UART，SPI，定时器等），RAM和Flash内存在一个独特的封装减少所需外部元件等降低设计的复杂性。Microchip PIC18LF2420[13]在这项工作中已被选中。

三 节点结构

图3及图4显示模块图分别两种类型的节点。

除了前面提到的组件,还有其他的要求提供基本的公共服务。这些模块是一个电源和电池/ AC主电源开关，在两种类型的节点。在CN也包括外部数据存储与控制中心和通讯系统。

电源是不同类型的节点。MN收到来自衡量供应的同一电网。MN功耗足够低，不影响负载功耗。由于低MN消费很简单，使用无变压器电源（基于RC网络)。该电源不提供电隔离，没有直接的用户交互只能用隔离装置MN。NC必须使用一个电化隔离连接到计算机的USB端口。在这种情况下,一个商业成本低开关电源使用。两种类型的节点包括一个备用电池，以确保节点执行断电。开关电路选择取决于电池或电源供应器的电压等级。来自Analog Devices ADM690芯片[14]已被用作开关电路。 CN需要额外的存储内存,因为它是负责接待的所有测量数据存储在MN，直到它被送到网络控制中心。这样的数量的信息，单片机闪存是不够的。64 Kbits模型外部EEPROM 24 LF512[15]从微芯片被用于CN。内存使用I2S接口连接。

CN和网络控制中心之间的通信使用的USB端口。所选择的微控制器不提供USB接口和用于FTDI MM232R的模块[16]。该模块连接到单片机的UART接口，它是在主机电脑视为一个USB串行设备。任何应用程序能够使用的串行COM端口，可以使用USB连接，没有任何改变。

四 系统功能

前面的部分硬件模块提供的测量和通信传感器网络的基本功能，但传感器网络需要一个更具体的高水平功能。这些都是MN

获取测量节点的网络连接并保持连接。

与CN的时钟同步。

获取和存储测量值。

发送测量数据到CN。

测量校准。

CN的附加功能是：

创建和维护测量节点网络。

同步请求MN。

保持连接到它的每一个MN状态信息。

接收并存储从MN发来的实测数据。

发送网络控制中心收集到的数据。

图5和图6显示软件为这些节点两种类型的高层次功能块图。图的最大块对应的是IEEE 802.15.4物理层通信协议栈。使用MIWI[17] Microchip协议栈。该协议栈已专门设计的微控制器，并提供基本功能来创建和维护一个网络，连接或断开，并发送和接收数据。MRJ24J40芯片提供物理层，但需要一个软件必须提供在应用层次的功能。通信协议栈的节点作用类型不同。作用对象是平移协调器和终端节点。

网络数据采集的一个关键事实是MN的时间同步。每一个MN是时间戳测量。为了能够比较来自不同节点的测量，用于时间标记的时基必须是相同的。同步过程中保证在所有节点同时基。一个实时时钟(RTC)尚未列入设计。使用硬件定时器递增的软件计数器是用来保持跟踪系统时间。一个系统的滴答响对应一个增量计数器。时间的同步化程序计数器所得的MN。CN时钟作为参考。用于时间同步的远程时钟读算法[12]。该协议是基于消息交换。该算法采 …… 此处隐藏：7306字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……