CC1101無線通信模塊的智能開關設計

摘要：為滿足智能開關在大型公共建筑物智能用電系統(tǒng)中的功能需要，設計了基于CC1101無線通信模塊的智能開關，介紹了各組成部分的電路原理，利用STC單片機全球唯一ID研究了一種簡單實用的無線組網(wǎng)方法，并詳細介紹了電量計量芯片RN8209G的校準方法。

關鍵詞：智能開關;CC1101;STC15W204S;RN8209G

引言

目前，據(jù)國家有關部門統(tǒng)計，國家機關辦公建筑和大型公共建筑每平方米建筑面積年平均耗電量為85.4度(年平均85.4 kWh/m2)，約占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%，每平方米耗電量是普通居民的10～20倍，是歐洲、日本等發(fā)達國家同類建筑的1.5～2倍。

一方面，我國大型公共建筑用電巨大，另一方面，也缺乏直接數(shù)據(jù)為用電節(jié)能決策的制定提供參考。為此，國務院令第531號《公共機構節(jié)能條例》第14條明確指出：公共機構應當實行能源消費計量制度，區(qū)分用能種類，用能系統(tǒng)實行能源消費分戶、分類、分項計量，并對能源消耗狀況實行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)、糾正用能浪費現(xiàn)象。江蘇、上海等地方分別推出蘇建科[2007]217號文《江蘇省公共建筑用能計量設計規(guī)定》和滬建交[2008]828號文《關于進一步加強本市民用建筑設備專業(yè)節(jié)能設計技術管理的通知》，進一步明確提出對主要用電設施分項計量，對辦公樓、商場、宿舍等應計量到經(jīng)濟核算單元，對醫(yī)療病房、賓館客房、學校教室應按樓層或功能分區(qū)計量等。

由此可見，大型公共建筑實行電能分項計量管理，可及時發(fā)現(xiàn)、糾正用電浪費，并為建筑節(jié)能考核提供依據(jù)。為此，本文提出了一種成本低廉、工作可靠的基于 CC1101無線模塊的智能開關，組網(wǎng)簡單，可以實現(xiàn)電壓、電流、有功功率、無線過載保護、功功率、電量等信息的計量與數(shù)據(jù)上報，以及具有定時通斷、狀態(tài)提示等功能，為電能分項計量管理提供了一種終端設備。

1 大型建筑物智能用電系統(tǒng)的拓撲結構

智能用電系統(tǒng)以計算機、通信設備、現(xiàn)場電力儀表計量裝置為基本工具，為實時數(shù)據(jù)采集、遠程管理與控制提供了基礎平臺。該系統(tǒng)主要采用分層分布式計算機網(wǎng)絡結構，分為監(jiān)控管理層、網(wǎng)絡通信層和現(xiàn)場設備層。監(jiān)控管理層包括一臺監(jiān)控計算機以及移動監(jiān)控客戶端;網(wǎng)絡通信層包括房間控制器、智能網(wǎng)關;現(xiàn)場設備層主要包括環(huán)境參數(shù)傳感器(溫濕度、光照、有害氣體等傳感器設備)、智能開關、智能插座、房間總電量傳感器。智能用電系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

房間控制器是房間內(nèi)所有采集控制設備和上層網(wǎng)絡之間通信的橋梁，負責所管轄模塊的數(shù)據(jù)匯總上傳和上行命令的下發(fā);智能網(wǎng)關是房間無線傳感網(wǎng)絡與LAN網(wǎng)絡建立連接的橋梁，完成無線數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的雙向轉換;監(jiān)控中心可以制定相應的用電策略來管理整個建筑的用電情況，同時，數(shù)據(jù)可以通過LAN總線經(jīng)過路由器發(fā)布到Internet上，用戶即可通過移動監(jiān)控客戶端登陸網(wǎng)絡，獲取建筑物內(nèi)的環(huán)境信息及用電信息，實現(xiàn)用電的智能化。

2 智能開關設計方案

為了滿足智能開關在大型公共建筑物智能用電系統(tǒng)中的功能需要，智能開關除了保留傳統(tǒng)的手動控制功能以外，還需要遠程控制、電量計量、數(shù)據(jù)上傳等功能。

2.1 智能開關結構框圖

智能開關結構框圖如圖2所示，包括電源模塊、主MCU、副MCU、無線通信模塊、電能計量模塊、繼電器模塊、按鍵等。

2.2 電源模塊設計

由于智能開關安裝方式為86式，電路板的空間十分有限，為減小電路板面積，電路電源模塊采用廣州禹舜公司生產(chǎn)的YS-5V600MA隔離式開關電源，與普通的穩(wěn)壓電源相比，該開關電源具有體積小巧、電磁兼容性好、輸出紋波噪聲小、精確穩(wěn)壓及瞬變響應快等優(yōu)點，同時具有溫度保護、過流保護及短路保護等功能。三端穩(wěn)壓器LD1117及其外圍電容構成DC 5 V/DC 3.3 V轉換電路，以滿足設計要求。其原理圖如圖3所示。

2.3 電量采集模塊設計

電量采集模塊采用RN8209G電量計量芯片，外圍電路簡單，支持IEC62053—22：2003標準，能夠采集單相電路的電壓、電流、有功功率、無功功率、電量等參數(shù)。有功、無功電能脈沖分別從PF、QF引腳輸出，方便校表時與標準表進行連接，并支持全數(shù)字的增益、相位和offset校正，可支持 SPI接口與處理器通信，具有體積小、精度高、功能強等優(yōu)點。其原理圖如圖4所示。

電壓采集是從零線和火線之間串接3個330 kΩ的電阻和一個1 kΩ的電阻，1 kΩ電阻分得的電壓輸入到電壓通道的正模擬輸入引腳，電壓通道的負模擬引腳經(jīng)過1 kΩ電阻與火線相連，經(jīng)過RN8209G內(nèi)部采集與計算得到電壓參量并存放在電壓有效值寄存器中，MCU讀取電壓參量后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以得到電壓值。

電流采集是將2 mΩ錳銅分流器串接在供電回路中，當燈具工作時，錳銅分流器兩端便產(chǎn)生微小的壓降，分流器兩端經(jīng)過1 kΩ電阻器輸入到A路電流通道中，RN8209G經(jīng)過內(nèi)部采集與計算得到電流參量并存放在電流有效值寄存器中，MCU讀取電流參量并經(jīng)過處理便可得到電流值。

2.4 繼電器模塊設計

智能開關采用電磁繼電器控制電路的通斷，智能開關的最大負載可以達到10 A，可以有效地控制各種照明設備，電路圖如圖5所示。

2. 5 無線通信模塊設計

無線通信模塊選用CC1101模塊，工作頻段為433 MHz。與WiFi、ZigBee、藍牙等無線通信模塊相比，CC1101具有價格低、傳輸距離遠、可操作性強等優(yōu)點。

無線通信模塊的核心芯片是TI公司生產(chǎn)的高性能CC1101芯片，具有功耗低、成本低、工作穩(wěn)定等優(yōu)點。其內(nèi)部集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達500kbps。通過開啟集成的調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。

由于CC1101的通信端口為SPI口，通信時會占用許多資源，又因為其信息傳播方式為廣播模式，當通信數(shù)據(jù)量較大時主MCU工作量較大，所以加入一片 STC15W204S單片機，負責CC1101的SPI端口數(shù)據(jù)與主板單片機串口之間的信息轉發(fā)與預處理。另外，可以利用STC15W204S單片機具有全球唯一ID的特性來設計無線組網(wǎng)方式。

3 智能開關組網(wǎng)及通信可靠性設計

3.1 智能開關組網(wǎng)設計

利用STC15W204S單片機具有全球唯一ID的特性來設計組網(wǎng)方式，其組網(wǎng)流程分為以下步驟：

①首次上電后，主板單片機向STC15W204S單片機發(fā)送索要ID命令，單片機返回ID后主板單片機將ID號保存在EEPROM中，作為自身的ID。

②按下主板上的登陸按鍵，主板單片機發(fā)出帶有ID信息和設備信息的登錄請求命令，通過CC1101廣播出去，房間控制器收到此信息后將其記錄下來，并記錄其位置。

③房間控制器保存成功后，返回帶有此設備信息的登錄成功命令，智能開關收到此命令后便知已成功入網(wǎng)。

④房間控制器將此設備信息通過智能網(wǎng)關上傳至網(wǎng)絡，監(jiān)控中心便可遠程操作此智能開關。

3.2 通信可靠性設計

由于系統(tǒng)終端節(jié)點數(shù)量龐大，為避免無線信道數(shù)據(jù)沖突，數(shù)據(jù)上傳方式設計為輪詢方式，但是輪詢間隔不能過長，否則信息上傳過慢，會影響實時性。如果輪詢時仍為廣播模式，主MCU便會一直收到查詢命令，但大部分都不是本體的有效命令。為了減輕主MCU的運行負擔，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，在設計上加入信息篩選程序，即通過副MCU進行一次數(shù)據(jù)篩選。篩選流程分為以下步驟：

①副MCU從CC1101中讀取一組數(shù)據(jù)幀。

②判斷此數(shù)據(jù)幀中的ID信息是否與本身ID信息相同。

③如果ID信息相同，則將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主MCU;如果不同，則將此數(shù)據(jù)幀刪除，不做任何處理。

4 智能開關的校準

校準是利用標準電能表，將有功/無功能量脈沖PF/QF通過光耦直接連接到標準表上，然后根據(jù)標準電能表的誤差讀數(shù)對RN8209G進行校正。經(jīng)過校正后，智能開關的電壓、電流、功率測量精度均可達到0.5 s級。

通過標準電能表對RN8209G計量模塊進行校表的流程如圖6所示。

4.1 參數(shù)設置

參數(shù)設置主要包括：B通道ADCON設置、ADC增益選擇、HFConst設置、起動電流設置、能量累加模式設置、其他參數(shù)設置。

無需考慮防竊電功能，因此不需向B通道輸入電流信息，可設置ADCON，關閉B通道，ADC增益選擇默認增益。

RN8209外部晶振為3.579 545 MHz，HFConst的計算公式如下：

式中，Vu為電壓通道的電壓，經(jīng)220 V分壓后得到，本設計中為222 mV左右;Vi為額定電流輸入時電流通道的電壓，在本設計中為32 mV;Un是輸入電壓220 V;Ib是額定電流10 A;EC為電表常數(shù)，設定為1 600 IMP/KWH。

其他設置方法不再一一贅述。

4.2 有功校正

有功校正包括功率增益校正和相位校正。

功率增益校正可通過配置GPQA寄存器實現(xiàn)。在進行功率增益校正時，將標準表設置為100%Ib，PF=1L，讀出誤差為ERR，Pgain可通過下式計算：

相位校正可通過配置PHSA寄存器實現(xiàn)。在進行相位校正時，將標準表設置為100%Ib，PF=0.5L，讀出誤差為ERR，通過下式計算PHSA：

如果PHSA>0，校正值是將PHSA取整;如果PHSA0，校正值是PHSA+28后取整。

4.3 有效值校正

有效值校正包括電流offset校正、額定電流校正、額定電壓校正，具體方法不再贅述。

結語

智能開關的測試主要有兩個方面：無線數(shù)據(jù)收發(fā)距離測試和電參量精確度測試。將智能開關接入照明回路中上電運行，經(jīng)過組網(wǎng)后，監(jiān)控中心便可查詢此開關的計量參數(shù)，實現(xiàn)計量功能。

通過測試，智能開關可以有效地進行組網(wǎng)，通過接收監(jiān)控中心的命令來控制燈具的亮滅，當數(shù)據(jù)傳輸率為9 600 bps和發(fā)射功率為10 dBm時，空曠地有效通信距離可達400 m，室內(nèi)測試可穿透兩層實體墻，并可將計量的電壓、電流、功率等參數(shù)上傳至網(wǎng)絡。各電參量測量精度均可達到0.5S級。

實驗結果表明，該智能插座具有組網(wǎng)簡單、通信可靠、計量精確等特點，在實際應用中基本滿足了大型公共建筑物智能用電系統(tǒng)的需要。