具有ZigBee通讯功能电能表的研究与设计

论文摘要

随着智能电网的提出,对于作为高级智能量测系统的关键组成部分的电能表也提出了新的要求。不仅需要对电能进行准确的计量,更增加了通信、组网以及与用户侧互动的要求。因此研发一款能满足智能电网要求的具有通讯功能电能表是电力系统迫切的需求。本文首先介绍了课题研究背景和课题的研究意义,并综述了电能表技术的研究现状及发展趋势,然后介绍了电能表计量的基本原理及电能表采用的相关通信技术,着重对ZigBee技术在本文电表中的应用方案做出了分析。本文重点对具有ZigBee通讯功能的电能表的硬件及软件做出了设计。在硬件设计上,先对总体方案做出了设计,然后分计量模块、管理模块、ZigBee通信模块及户内智能显示装置对硬件做出了设计。其中计量模块采用专用集成计量芯片71M6515,增加了设计的可靠性、减少了产品开发的周期。管理模块以主控芯片瑞萨M16C/62P为核心,并对外围的包括显示电路、实时时钟电路、存储电路、RS-485通信电路、红外通信电路进行了设计。采用TI公司的业界领先的SOC芯片CC2430,并搭配相应的外围电路对ZigBee通信模块进行了设计。ZigBee通信模块通过串口并经光耦隔离与电表进行连接,通过外接带字库的点阵液晶及按键构成户内智能显示装置。在软件设计方面,首先对电能表主控端软件进行了设计,介绍了软件的整体设计方案,主要对通信功能、存储功能的软件实现重点做了说明;然后对ZigBee通信模块的软件进行了设计。首先对ZigBee的协议栈进行了分析并针对本课题设计做出了移植,接着详细的介绍了与电能表连接的ZigBee通信模块的软件设计及智能户内显示装置的软件设计。最后对具有ZigBee通讯功能的电能表的计量及ZigBee通信功能做了测试并进行了说明。计量精度及误差的测试主要包括对有功基本误差的测试及无功基本误差测试。通过对ZigBee模块的组网测试及实际的数据传输测试,验证了ZigBee技术在电能表通信中应用的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.1.1 课题的研究背景
• 1.1.2 课题研究意义
• 1.2 电能表技术研究现状及其发展趋势
• 1.3 项目来源
• 1.4 论文研究的主要内容
• 第2章 电能表计量原理及电能表通信技术
• 2.1 电能表计量原理与方法
• 2.1.1 有功功率及有功电能的计量
• 2.1.2 无功功率及无功电能的计量
• 2.1.3 电压电流的计量
• 2.2 电能表相关通信技术
• 2.2.1 485 通信技术
• 2.2.2 红外通信技术
• 2.2.3 电力线载波通信技术
• 2.2.4 光纤通信技术
• 2.2.5 GPRS 通信技术
• 2.2.6 专用无线网技术
• 2.2.7 ZigBee 技术
• 2.3 ZigBee 技术在电能表中的组网方案
• 2.3.1 ZigBee 网络拓扑结构
• 2.3.2 具有ZigBee 通讯功能的电能表组网架构
• 2.4 本章小结
• 第3章 具有ZigBee 通讯功能的电能表硬件设计
• 3.1 硬件总体设计方案
• 3.2 电源部分硬件设计
• 3.2.1 线路供电部分设计
• 3.2.2 电池供电部分设计
• 3.3 计量部分硬件设计
• 3.3.1 71M6515H 介绍
• 3.3.2 电压电流采样电路设计
• 3.3.3 计量芯片外围电路设计
• 3.4 管理部分硬件设计
• 3.4.1 主控芯片瑞萨M16C/62P 介绍
• 3.4.2 单片机外围电路
• 3.4.3 显示电路设计
• 3.4.4 实时时钟电路设计
• 3.4.5 存储电路设计
• 3.4.6 RS-485 通信电路设计
• 3.4.7 红外通信电路设计
• 3.5 ZigBee 通信模块及户内显示装置设计
• 3.5.1 ZigBee 通信模块硬件设计
• 3.5.2 ZigBee 模块与主控芯片接口设计
• 3.5.3 智能户内显示装置硬件设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 具有ZigBee 通讯功能的电能表软件设计
• 4.1 主控 MCU 功能软件设计
• 4.1.1 程序总体设计
• 4.1.2 通信程序设计
• 4.1.3 存储程序设计
• 4.2 ZigBee 通信功能模块软件设计
• 4.2.1 ZigBee 协议栈的移植
• 4.2.2 与电能表连接的ZigBee 通信模块软件设计
• 4.2.3 智能户内显示装置软件设计
• 4.3 本章小结
• 第5章 具有ZigBee 通讯功能的电能表的测试与分析
• 5.1 电能表计量精度测试
• 5.1.1 有功基本误差测试
• 5.1.2 无功基本误差测试
• 5.2 ZigBee 通讯模块调试及测试
• 5.2.1 ZigBee 通讯模块调试及测试设备
• 5.2.2 ZigBee 通讯模块通信功能测试
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 1.论文研究的主要成果
• 2.课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间发表的学术论文）
• 附录B （攻读学位期间参加的科研项目）