基于si4438的无线智能电表设计

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1、基于Si4438的无线智能电表设计高倩，陈桂华（漯河职业技术学院，河南漯河462002）摘要：采用专门针对我国智能电表推出的SUB?GHz无线收发器Si4438作为无线传输模块，AT89C51作为微处理器，在其上植入μC/OS?Ⅱ实时操作系统，电能计量使用高性能ADE7758芯片，设计并实现了一款高性能无线智能电表。该系统提供电能质量的监视、提供双向计量、多参数电量实时采集和控制、存储，支持双向通信、远程时间同步，能根据进行远程编程设定以及软件升级。实验证明，该智能电表满足国家标准中规定的0.2

2、s要求，具有功能完备、运行稳定、精度高和实时性好等优点。.jyqk；RS485接口符合DL/T645?97通信规程要求，可与目前市场上主流的手持抄表终端设备通过红外通信接口进行相互通信。采用标准红外RS232通信接口，通信距离一般不小于4m，符合DL/T645?97通信规程要求，通信速率为1200b/s；红外波长范围为900~1000nm；主动与被动抄表可通过ZigBee或蓝牙射频接口进行，无线抄表采用ISM免费频段实现，在被动抄表方式下，可实现单播、组播、广播等通信方式。1.1.5计费功能计费

3、功能可实现对尖、峰、平、谷4种费率的计费，智能电表采用实时时钟电路。内部时钟具有日历计时，每日任意时段的实际时间与预置时间之差不超过1s。采用双锂电电池，电池最大容量为1200mA·h，用于保持时钟和停电显示。1.1.6编程功能编程可以实现智能电表应用的灵活性，可以采用红外或射频形式RS232/RS485通信接口对电度表进行编程控制。可编程项目包括时间、日期设置，时段和费率设置，显示项目及显示内容设置等。这些编程内容可单独进行设定，或通过“综合设定”功能进行一次性完成设定。1.2工作原理工作时，

4、传感器将6个电压信号送入ADE7758，经过片内PGA1/PGA2可编程增益放大器放大后进行模/数ADC变换为相应的数字信号，其中的电流信号经高通滤波器滤除直流分量，再将输出信号进行数字积分，接着与经相位调整后的电压量相乘得到瞬时功率，最后通过低通滤波器后得到瞬时有功功率信号；总的三相瞬时有功功率经芯片的DOUT引脚输出。视在功率和无功功率的计算与此相似。MCU通过脉冲及串行通信接口接收有功功率数据，并根据预先设置的相应时段进行处理，将数据和输出结果实时显示出来，并保存到闪存中；同时，也可通过串

5、口、红外或ZigBee模块，与便携终端或其他数据平台进行通信。1.3Si4438无线单元无线射频模块选用了SiliconLabs公司生产的Si4438。提供了SUB?GHz无线解决方案，可针对我国智能电表市场，满足我国目前智能电表市场的要求。支持调频和采用分集式天线，可增强无线性能和延长传输距离。Si4388无线模块内部结构如图2所示。Si4438收发器采用分集式天线和高效功率放大器，可提高系统链路预算，为智能电表延长传输距离，并且提供可靠的通信链路。Si4438收发器片上集成功率放大器、低噪声

6、放大器和表面声波滤波器，提高性能的同时降低了成本，使其在恶劣的环境下也可有效传输。集成的温度传感器、GPIO和上电复位电路进一步降低了系统成本，缩小电路板尺寸。ZigBee技术可组建无线个人局域网，它具有组网能力强、低复杂度、低速率、节能可靠等诸多优点。ZigBee协议采用IEEE802.15.4标准的物理层和链路层，还包含了网络层、安全层和应用层。Si4438内部设有数据的无线收发2个部分。数据发送时，每个模块上设有GPIO口，单片机通过RS485串口接收其他数据平台发送来的数据，再控制Zig

7、Bee芯片Si4438进行直接序列扩频，最后由天线发射到空中；接收数据时，Si4438将天线接收的数据在内部解扩后，单片机再把数据传送到其他数据平台上。1.4系统计量依据的电力参数数学模型电网所供瞬时电力是各谐波分量之和，各个分量的瞬时电压、电流可通过傅里叶变换表示为：式中：U(t)为瞬时电压；I(t)为瞬时电流；U0为电压直流成分；Uk为k次谐波电压有效值；?k为k次谐波电压相位；φk为k次谐波电流相位。系统计量无功功率Q和有功功率P及功率因数cos?的离散化计算表达式如下所示：式中：u(m)

8、,i(m)分别为电压电流采样信号经抽样离散化得到的数据序列；K为一个周期内的采样频率。2系统软件设计2.1主程序设计系统主程序包含初始化、入网处理、掉电处理、数据传输等事件处理，系统主流程图如图3所示。系统上电后首先进行初始化，主程序判断电网电压状态，进行上电或掉电处理。主循环要进行以下流程：需量计量、费率处理、数据结算、事件记录和液晶显示等。2.2ZigBee协议系统采用ZigBee2007规范的Z?Stack无线通信协议，协议层自下而上依次为物理层、MAC层、网络层、ZDO层、AF应用框架层