CN206788282U - 一种满足RS485通信和LoRaWAN无线通信技术的多功能电力仪表 - Google Patents
一种满足RS485通信和LoRaWAN无线通信技术的多功能电力仪表 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供了一种满足RS485通信和LoRaWAN无线通信技术的多功能电力仪表。电力仪表的微处理单元STM32F103CPU分别与模拟电压采集电路、模拟电流采用电路、开关量输入采集电路、继电器控制输出电路、RS485通信电路、LoRaWAN无线通信电路、按键输入与LCD显示电路电力连接,并完成模拟量采集、开关量采集、继电器控制输出、面板控制按键输入、LCD液晶内容显示功能;STM32F103CPU的串行通信接口通过RS485芯片,实现传统的RS485通信功能,LoRaWAN无线通信电路以RN2483芯片为核心,成无线数据的发送和接收。
Description
技术领域
本实用新型专利涉及多功能电力仪表,其主要用于电力智能化监控系统、环境监控系统、高低压配电柜监视等,实现现场三相电流、三相电压信号的采集、开关量状态的监视、继电器输出控制、RS485通信、LoRaWAN无线通信等功能。
背景技术
目前国内电力自动化领域采用的多功能电力仪表绝大多数在通信方面都是采用RS485接口、MODBUS-RTU协议与监控系统、过程控制、楼宇自动化等系统通信,也有少数厂家推出了Profibus-DP协议的智能电力仪表。这些多功能电力仪表的RS485通信接口通过屏蔽双绞线串联起来后接入专用的电力通信管理机或串口服务器的RS232口或RS485口。由于屏蔽双绞线在通过变压器、变频器、高压电缆等强磁场设备附近时容易受到干扰,造成通讯通信误码率高或通信中断等问题。另外,多功能电力仪表之间采用有线形式连接在一些改造项目上存在施工困难、施工质量无法有效保障的问题。或者遇到多功能电力仪表通信线接线错误或通信线内部可能存在拉断时,无法有效查找问题点,造成通信问题无法及时、高效解决等问题。同时,高低压配电室现场常年运行温度较高,长期运行也存在电力仪表通信线老化、通信接线端子接触不良等问题而造成通信故障。
实用新型内容
为了解决上述多功能电力仪表在传统的有线通信方式带来的通信稳定性不高、通信故障点不易查找、后续扩建改造困难等问题,本实用新型旨在提出一种既支持传统RS485通信接口,同时又能提供基于LoRaWAN超长距离、超低功耗的无线网络通信的多功能电力仪表。该专利采用免费的433/868MHz频段,实现低功耗、高可靠性、高灵活性、高速率、真正双向通信的无线连接,全面满足新建项目和改造项目对于通信方式的多种选择需要。
具体而言,本实用新型提供了以下的技术方案:
一种满足RS485通信和LoRaWAN无线通信技术的多功能电力仪表,其特征在于,所述电力仪表包括:STM32F103 CPU(1)、模拟电压采集电路(2)、模拟电流采用电路(3)、开关量输入采集电路(4)、继电器控制输出电路(5)、RS485 通信电路(6)、LoRaWAN无线通信电路(7)、按键输入与LCD显示电路(8);所述电力仪表的微处理单元STM32F103 CPU(1)分别与模拟电压采集电路(2)、模拟电流采用电路(3)、开关量输入采集电路(4)、继电器控制输出电路(5)、 RS485通信电路(6)、LoRaWAN无线通信电路(7)、按键输入与LCD显示电路(8) 电力连接,并完成模拟量采集、开关量采集、继电器控制输出、面板控制按键输入、LCD液晶内容显示功能;所述STM32F103 CPU(1)的串行通信接口通过 RS485芯片,实现传统的RS485通信功能,所述LoRaWAN无线通信电路(7)以 RN2483芯片为核心,完成无线数据的发送和接收。
优选地,采用MicroChip公司LoRaWAN无线数据收发芯片RN2483,无线通信的天线全部安装于仪表内部。
优选地,电力仪表电路板上设置有传统的RS485接口芯片,以及支持LoRaWAN无线方式的无线通信接口,完成与远程控制SCADA中心的数据交换。
优选地,采用AES-128加密算法,以及CSMA/CA协议,实现无线传输的数据加密,以及防止数据堵塞与冲突。
优选地,所述LoRaWAN无线通信电路(7),采用RN2483芯片作为核心,其 A0、A1接口分别连接STM32F103VCT6芯片的RF_P和RF1接头。RN2483芯片的 SCL接头通过串接电阻R2接+3V电压源,并通过一电感与一电容的串联,接无线发射天线;SDA接头通过串接电阻R3接+3V电压源。
优选地,所述模拟电压采集电路(2),采用放大器电路结构,监测端通过互感器件,分别通过并联电阻,接放大器的输入端2和输入端3,输入端3接地,同时,V+端接OPV+电压,且与V-端同时通过串联电容接地,放大器输出端通过串联电阻,与输入端2相连,输出端6通过串联电阻,将监测信号输出至 STM32F103 CPU(1)的信号接收端,同时,输出端6与串联电阻的输出端,通过一组并联的电容与电阻接地。
优选地,模拟电流采用电路(3),通过放大器实现,监测端通过互感器件,分别通过并联电阻,接放大器的输入端2’和输入端3’,输入端3’接地,同时,V+ 端接OPV+电压,且与V-端同时通过串联电容接地,放大器输出端通过串联电阻,与输入端2’相连,输出端6’通过串联电阻,将监测信号输出至STM32F103VCT6 芯片的信号接收端,同时,输出端6’与串联电阻的输出端,通过一组并联的电容与电阻接地,放大器的V-端接OPV-电压源。
优选地,继电器控制输出电路(5)采用74HC573驱动芯片扩展最多8路继电器出口,其DO~D9接CPU的IO引脚,Q0~Q7经过电阻接光耦驱动芯片,LE为片选引脚,VDD接+3V电压源,GND接电源地。
优选地,开关量输入采集电路(4)采用接口芯片74HC541扩展开关量输入,提供最多8路开关量输入功能,外部开关量信号经过电容、电阻消抖电路接光偶隔离芯片,光耦隔离芯片输出接74HC541的A1~A8引脚,74HC541的Y1~Y8引脚接入CPU的IO引脚,OE1为片选引脚,VCC接+3V电压源,GND接电源地。
本实用新型的微处理器型号为STM32F103VCT6,该MCU具有最多512KB大容量闪存、64KB的SRAM。同时STM32F103VCT6还集成了12通道的ADC、多达 11个定时器等。本实用新型的硬件开发采用Altium Designer开发套件,软件开发采用IAR Embedded Workbech集成开发工具套件,实现包括代码编辑器、工程建立、C编译器、连接器和调试器的完整应用。STM32F103VCT6集合了多达 112个高速I/O引脚,这些引脚根据多功能电力仪表的要求分别用为16路开关量输入、4路继电器输出、6路按键控制输入、LCD液晶显示模块数据交换等。
本实用新型的有益效果如下:采用RS485+LoRaWAN无线网络通信的多功能电力仪表较好的解决了很多现场通信线缆施工困难、通信电缆施工质量无法保障等问题,为多功能电力仪表接入SCADA系统提供了多种选择性。LoRaWAN无线通信的多功能电力仪表节点间的传输距离最长可达几千米,而且节点之间可以实现通信中继功能,对于大型工厂配电、小区配电的智能化网络综合管理具有低成本、施工调试便捷高效等明显优势。采用RS485+LoRaWAN无线网络通信的双通信接口多功能电力仪表和传统的只具备一个RS485通信的电力仪表在硬件生产成本上只有几块钱的增加,具备广阔的社会经济价值。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本实用新型的结构框图;
图2为本实用新型LoRaWAN无线通信电路结构示意图;
图3为本实用新型三相模拟电压采集电路结构示意图;
图4为本实用新型三相模拟电流采用电路结构示意图;
图5为本实用新多路继电器控制输出电路结构示意图;
图6为本实用新型开关量输入监视电路结构示意图;
图7为本实用新型RS485有线通信电路结构示意图。
图中:1-CPU STM32F103VCT6,2-三相模拟电压采集电路,3-三相模拟电流采用电路,4-多路开关量输入监视电路,5-多路继电器控制输出电路,6-传统RS485有线通信电路,7-LoRaWAN无线通信电路,8-按键输入与LCD液晶显示电路。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。应当明确,所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示,模拟电压采集电路(2)、模拟电流采集电路(3)将采集到的模拟信号直接输入STM32F103VCT6(1)的AD采样管脚,STM32F103VCT6经过有效值计算将此模拟数值通过LCD液晶显示电路(8)显示给用户,同时, STM32F103VCT6将此数字存入缓存中,同时经由ADM2483 RS485通信电路(6) 和RN2483LoRaWAN无线通信电路(7)实现数据的接收和发送。
在一个具体的实施例中,采用意法半导体公司的STM32F103VCT6 MCU作为核心模块,采用MICROCHIP公司全新433/868MHz RN2483射频模块作为LoRaWAN无线通信电路(7)的核心芯片;STM32F103VCT6是基STM32F103VCT6于ARM架构的32位高性能MCU,提供多达13种通信接口,包括UART、SPI、I2C、CAN、USB等。采用RS485+LoRaWAN技术的多功能电力仪表具有以下几个特征:提供传统的稳定的RS485通信接口;提供超低功耗、超长距离的LoRaWAN无线通信;LoRaWAN支持多点并行数据采集,对于现场仪表数量较多的应用场合,可以在较短的时间内实现数据的轮询和更新,具有较高的实时性;LoRa支持采用AES-128 加密方式来保障网络通信安全,从而保证了多功能电力仪表与后台监控系统之间信息传输的可靠性。
对于多路开关量输入监视电路(4),以及多路继电器控制输出电路(5),可以采用传统的开关量输入连接电路以及继电器连接电路。图5所示,本实用新型采用74HC573驱动芯片扩展最多8路继电器出口,其DO~D9接CPU的IO引脚,Q0~Q7经过电阻接光耦驱动芯片,LE为片选引脚,VDD接+3V电压源,GND 接电源地。图6所示,本实用新型采用接口芯片74HC541扩展开关量输入,提供最多8路开关量输入功能,外部开关量信号经过电容、电阻消抖电路接光偶隔离芯片,光耦隔离芯片输出接74HC541的A1~A8引脚,74HC541的Y1~Y8引脚接入CPU的IO引脚,OE1为片选引脚,VCC接+3V电压源,GND接电源地。
在一个具体的实施方式中,如图2所示,LoRaWAN无线通信电路部分,采用RN2483芯片作为核心,其A0、A1接口分别连接STM32F103VCT6芯片的RF_P和 RF1接头。RN2483芯片的SCL接头通过串接电阻R2接+3V电压源,并通过一电感与一电容的串联,接无线发射天线;SDA接头通过串接电阻R3接+3V电压源。
如图3、图4所示,本实用新型同时实现对三相电路的电压监测和电流监测。
结合图3所示,对于电压的采集,采用放大器电路结构,监测端通过互感器件,分别通过并联电阻,接放大器的输入端2和3端,输入端3接地,同时, V+端接OPV+电压,且与V-端同时通过串联电容接地,放大器输出端通过串联电阻,与输入端2相连,输出端6通过串联电阻,将监测信号输出至STM32F103VCT6 芯片的信号接收端,同时,输出端6与串联电阻的输出端,通过一组并联的电容与电阻接地。
结合图4,三相电流采集电路中,同样通过放大器实现,监测端通过互感器件,分别通过并联电阻,接放大器的输入端2’和3’端,输入端3’接地,同时,V+ 端接OPV+电压,且与V-端同时通过串联电容接地,放大器输出端通过串联电阻,与输入端2’相连,输出端6’通过串联电阻,将监测信号输出至STM32F103VCT6 芯片的信号接收端,同时,输出端6’与串联电阻的输出端,通过一组并联的电容与电阻接地,放大器的V-端接OPV-电压源。
对于有线通信电路,采用通用的RS485有线通信电路连接方式即可,在一个具体的实施例中,该部分电路采用ADM2483芯片作为核心芯片,即将STM32F103 芯片的RF_N端与TXRX_SWITCH端与ADM2483芯片的RxD、TxD端连接即可,具体可采用的电路结构,可参见图7所示,该电路可以采用本领域中的ADM2483 芯片的通用连接方式即可,这是本领域技术人员所熟知的,在此不再赘述。
多功能仪表的电量数据采集、处理等应用程序存储于STM32F103VCT6的 FLASH内。STM32F103VCT6芯片完成模拟数据采集、处理、开关量监视、继电器控制输出、LCD液晶显示、按键监视功能等。STM32F103VCT6集成的串行通信接口口通过高速隔离的RS485芯片ADM2483实现传统方式的数据收发功能。RN2483 芯片内置的无线通信电路进行数据的收发。具数据发送方式为LoRa RF将要发送的数据先送人发送寄存器的缓存中,并自动产生头帧、起始帧,所发送的数据经扩频后送DA变换器,经低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到433/868MHz经放大后送到天线发射出去。数据接收方式为LoRa RF接收到射频信号经放大和I/Q下变频处理、滤波、放大、AD变换、自动增益控制、数字解调和解扩,该些步骤通过本领域中的基本设计电路和算法即可实现,这是本领域的公知常识,此处不再赘述,最终恢复传输的正确数据能,STM32 MCU通过SPI 的方式和RN2483 LoRa芯片通信读取收到的数据。
STM32F103VCT6芯片工作时的周边电路结构,采用该芯片的标准周边电路连接方式,这是本领域中所公知的,此处不再赘述。
以上所述,仅为本实用新型的具体实施方式,但本实用新型的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此,本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种满足RS485通信和LoRaWAN无线通信技术的多功能电力仪表,其特征在于,所述电力仪表包括:STM32F103CPU(1)、模拟电压采集电路(2)、模拟电流采用电路(3)、开关量输入采集电路(4)、继电器控制输出电路(5)、RS485通信电路(6)、LoRaWAN无线通信电路(7)、按键输入与LCD显示电路(8);所述电力仪表的微处理单元STM32F103CPU(1)分别与模拟电压采集电路(2)、模拟电流采用电路(3)、开关量输入采集电路(4)、继电器控制输出电路(5)、RS485通信电路(6)、LoRaWAN无线通信电路(7)、按键输入与LCD显示电路(8)电力连接,并完成模拟量采集、开关量采集、继电器控制输出、面板控制按键输入、LCD液晶内容显示功能;所述STM32F103CPU(1)的串行通信接口通过RS485芯片,实现传统的RS485通信功能,所述LoRaWAN无线通信电路(7)以RN2483芯片为核心,完成无线数据的发送和接收。
2.根据权利要求1所述的电力仪表,其特征在于,采用MicroChip公司LoRaWAN无线数据收发芯片RN2483,无线通信的天线全部安装于仪表内部。
3.根据权利要求1所述的电力仪表,其特征在于,电力仪表电路板上设置有传统的RS485接口芯片,以及支持LoRaWAN无线方式的无线通信接口,完成与远程控制SCADA中心的数据交换。
4.根据权利要求1所述的电力仪表,其特征在于,采用AES-128加密算法,以及CSMA/CA协议,实现无线传输的数据加密,以及防止数据堵塞与冲突。
5.根据权利要求1所述的电力仪表,其特征在于,所述LoRaWAN无线通信电路(7),采用RN2483芯片作为核心,其A0、A1接口分别连接STM32F103VCT6芯片的RF_P和RF1接头;RN2483芯片的SCL接头通过串接电阻R2接+3V电压源,并通过一电感与一电容的串联,接无线发射天线;SDA接头通过串接电阻R3接+3V电压源。
6.根据权利要求1所述的电力仪表,其特征在于,所述模拟电压采集电路(2),采用放大器电路结构,监测端通过互感器件,分别通过并联电阻,接放大器的输入端2和输入端3,输入端3接地,同时,V+端接OPV+电压,且与V-端同时通过串联电容接地,放大器输出端通过串联电阻,与输入端2相连,输出端6通过串联电阻,将监测信号输出至STM32F103CPU(1)的信号接收端,同时,输出端6与串联电阻的输出端,通过一组并联的电容与电阻接地。
7.根据权利要求1所述的电力仪表,其特征在于,模拟电流采用电路(3),通过放大器实现,监测端通过互感器件,分别通过并联电阻,接放大器的输入端2’和输入端3’,输入端3’接地,同时,V+端接OPV+电压,且与V-端同时通过串联电容接地,放大器输出端通过串联电阻,与输入端2’相连,输出端6’通过串联电阻,将监测信号输出至STM32F103VCT6芯片的信号接收端,同时,输出端6’与串联电阻的输出端,通过一组并联的电容与电阻接地,放大器的V-端接OPV-电压源。
8.根据权利要求1所述的电力仪表,其特征在于,继电器控制输出电路(5)采用74HC573驱动芯片扩展最多8路继电器出口,其DO~D9接CPU的IO引脚,Q0~Q7经过电阻接光耦驱动芯片,LE为片选引脚,VDD接+3V电压源,GND接电源地。
9.根据权利要求1所述的电力仪表,其特征在于,开关量输入采集电路(4)采用接口芯片74HC541扩展开关量输入,提供最多8路开关量输入功能,外部开关量信号经过电容、电阻消抖电路接光偶隔离芯片,光耦隔离芯片输出接74HC541的A1~A8引脚,74HC541的Y1~Y8引脚接入CPU的IO引脚,OE1为片选引脚,VCC接+3V电压源,GND接电源地。
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