基于Wi-SUN 無線通信技術(shù)的碳采集計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳建強(qiáng)，程力杰，張 贏

（安徽南瑞中天電力電子有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

電力工業(yè)作為我國的基礎(chǔ)民生保障行業(yè)，在碳排放方面占比較大。在2018 年國際能源署發(fā)布的數(shù)據(jù)中顯示，我國電力和供熱行業(yè)的碳排放約占51%，交通運(yùn)輸、民生行業(yè)等共占21%，其他工業(yè)占28%[1-4]。

近年來，國家電網(wǎng)公司為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，率先發(fā)布國網(wǎng)“碳行動(dòng)”方案，并在國家電網(wǎng)《關(guān)于促進(jìn)能源電力消費(fèi)側(cè)“碳達(dá)峰、碳中和”工作的指導(dǎo)意見》（〔2021〕196 號(hào)）中指出，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，一方面需要能源電力從高碳向低碳、從以化石能源為主向以清潔能源為主轉(zhuǎn)變，對(duì)能源電力消費(fèi)側(cè)從電氣化替代、能效提升、需求響應(yīng)三個(gè)方面加強(qiáng)建設(shè)；另一方面還需要對(duì)碳排放進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)量，才可以對(duì)客戶的碳排放進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測，對(duì)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的實(shí)施措施進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià)[5-7]。根據(jù)我國的“雙碳”政策，對(duì)電力工業(yè)生產(chǎn)過程中碳排放的監(jiān)測和計(jì)量是勢在必行的。

目前，我國在碳排放的監(jiān)測與計(jì)量領(lǐng)域暫時(shí)沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)和體系。為了響應(yīng)市場需求，也為積極響應(yīng)國家電網(wǎng)公司的號(hào)召，本公司依托于自身現(xiàn)有平臺(tái)，研發(fā)基于Wi-SUN無線通信技術(shù)的碳采集計(jì)量系統(tǒng)，滿足國家電網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)常態(tài)化的要求，完善能耗和碳排放監(jiān)測體系，對(duì)于“雙碳”行動(dòng)的開展具有重要的意義。

1 系統(tǒng)方案

本文研究了基于Wi-SUN 無線通信技術(shù)[8-9]的碳采集計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，研制出一套集碳排放監(jiān)測、采集、計(jì)量功能于一身的系統(tǒng)，并開展定點(diǎn)應(yīng)用。系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。碳采集器通過Wi-SUN 與電力碳計(jì)量檢測分析系統(tǒng)連接，碳傳感器提供RS 485 與碳采集器連接，碳采集器之間通過Wi-SUN 連接。該系統(tǒng)以Wi-SUN 無線通信模塊為基礎(chǔ)，與上層應(yīng)用完成mesh 組網(wǎng)，深度融合各類碳傳感器，依托碳傳感器的監(jiān)測功能，完成碳排放數(shù)據(jù)的初步提取，隨后經(jīng)過碳采集器內(nèi)置的算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并依托其無線通信功能，將采集計(jì)量到的數(shù)據(jù)上傳到上層應(yīng)用之中。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

基于“模塊化”和“平臺(tái)化”的設(shè)計(jì)思路，該設(shè)計(jì)采用了標(biāo)準(zhǔn)化原理圖和印制版圖設(shè)計(jì)的方式，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包含MCU（型號(hào)VC7300B）、碳傳感器采集模塊、Wi-SUN 模塊、RS 485 通信模塊、512 KB 鐵電存儲(chǔ)器、RTC時(shí)鐘芯片、SGM706 看門狗芯片。

圖2 硬件架構(gòu)

2.1 碳采集模塊

碳采集模塊包括碳傳感器和碳采集器。碳傳感器選用專業(yè)傳感器探頭作為核心監(jiān)測器件，可對(duì)水、熱、電、溫濕度、噪聲，以及二氧化碳、二氧化硫、氟利昂等十?dāng)?shù)種溫室氣體進(jìn)行監(jiān)測。其工作電源為12 V，采用RS 485 作為數(shù)據(jù)傳輸通道，以外接的方式與碳采集器連接，并進(jìn)行碳排放數(shù)據(jù)的傳輸。該模塊具有精度高、采集范圍大的特點(diǎn)。

2.2 Wi-SUN 無線通信模塊

Wi-SUN 無線通信模塊采用LSD4RF 系列芯片作為通信主芯片[10-11]。使用Node 端模組的APP UART 接口與本地MCU 接口交互，同時(shí)附帶一個(gè)調(diào)試串口，用于開發(fā)調(diào)試工作。該模塊集成安裝在碳采集器的內(nèi)部，通過排線方式連接。碳采集器為通信模塊提供12 V 直流工作電源，Wi-SUN 無線通信模塊接口硬件設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 Wi-SUN 無線通信模塊接口

2.3 碳采集器采集接口設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一路串口轉(zhuǎn)外部RS 485 通信，碳采集器通過RS 485 可以采集碳傳感器監(jiān)測到的碳排放數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)防電磁干擾和防雷擊的ESD 保護(hù)電路，并采用電磁隔離的保護(hù)措施，使RS 485 電路與主MCU 完全隔離開來，極大地增強(qiáng)了電路的穩(wěn)定性和安全性。

2.4 存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

在儲(chǔ)存方面，設(shè)計(jì)了長壽命的512 KB 鐵電儲(chǔ)存器，用于存儲(chǔ)mesh 組網(wǎng)基本配置參數(shù)以及采集到的碳排放數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)以模組內(nèi)IPv6 無線通信協(xié)議棧為基礎(chǔ)。編譯環(huán)境基于GCC 編譯工具鏈，調(diào)試環(huán)境基于shell 軟件工具的日志信息打印查看。此項(xiàng)目針對(duì)Wi-SUN 無線通信的邊緣路由端和節(jié)點(diǎn)端分別有兩個(gè)獨(dú)立的工程環(huán)境。前者負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的NMS 管理服務(wù)，后者負(fù)責(zé)具體的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

3.1 驅(qū)動(dòng)層軟件功能設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)層兼顧邊緣路由端工程和節(jié)點(diǎn)采集端工程通用的設(shè)計(jì)理念，采用模塊化設(shè)計(jì)和接口封裝出口統(tǒng)一的軟件框架。本方案底層驅(qū)動(dòng)分為通用IO 驅(qū)動(dòng)、NV 非易失性存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)、UART 口驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)UDP 驅(qū)動(dòng)等。每種驅(qū)動(dòng)分別建立一個(gè)C文件和一個(gè)H 文件，便于統(tǒng)一管理，且都具有初始化、讀、寫、控制功能。

3.2 協(xié)議層軟件功能設(shè)計(jì)

軟件功能主要是通信及協(xié)議處理。邊緣路由主節(jié)點(diǎn)和上層間通過USB 虛擬出來的串口作為物理通道。為了適配微功率無線組網(wǎng)中的小無線通信，本方案的Wi-SUN 無線通信采用Q/GDW 1376.2 通信協(xié)議。采集器上搭載的葉子從節(jié)點(diǎn)與邊緣路由節(jié)點(diǎn)之間通過無線射頻傳輸作為物理通道；使用面向?qū)ο蟮挠秒娦畔?shù)據(jù)交換協(xié)議DLT698.45，用于采集終端、電表之間的通信數(shù)據(jù)交換以及水、氣、熱等表計(jì)的數(shù)據(jù)采集。針對(duì)NODE 節(jié)點(diǎn)采集器增加了AT 指令集協(xié)議，方便配置、查看、操作相關(guān)功能，見表1 所列。

表1 AT 指令集協(xié)議

3.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層軟件功能設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能重點(diǎn)在BR 邊緣路由主節(jié)點(diǎn)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)模塊上。BR 模組主要功能為無線網(wǎng)絡(luò)管理、路由信息管理、從設(shè)備在線狀態(tài)檢測等，并提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、設(shè)備狀態(tài)上報(bào)等接口功能。

無線網(wǎng)絡(luò)管理功能：包括自組網(wǎng)功能和網(wǎng)絡(luò)自我修復(fù)功能。模組作為邊緣主節(jié)點(diǎn)，管理從節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)對(duì)接以及無線數(shù)據(jù)通信功能。

路由信息管理功能：可管理任一入網(wǎng)從節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎肪€信息，便于了解集散分部的從節(jié)點(diǎn)在通信過程中的網(wǎng)絡(luò)變換（入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中實(shí)時(shí)尋找最優(yōu)化的無線通信鏈路），也方便在使用過程中進(jìn)行維護(hù)。

設(shè)備在線狀態(tài)檢測功能：可及時(shí)向主站上報(bào)設(shè)備入網(wǎng)和離網(wǎng)的狀態(tài)信息，以便主站注冊(cè)和動(dòng)態(tài)更新采集設(shè)備。

協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能：將碳采集器主體部分需要轉(zhuǎn)發(fā)給從節(jié)點(diǎn)模塊的數(shù)據(jù)移交給BR 模組，BR 模組根據(jù)移交數(shù)據(jù)中的MAC 地址判別出主站定點(diǎn)發(fā)送的從節(jié)點(diǎn)，提取轉(zhuǎn)發(fā)主體數(shù)據(jù)后，通過無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給采集器。

3.4 應(yīng)用層軟件功能設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)使用Contiki 操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)資源占用極低，適合在存儲(chǔ)資源緊張的微控制器中使用。Contiki 由幾個(gè)獨(dú)立的模塊組成，包括類似線程的多任務(wù)事件驅(qū)動(dòng)庫、uIP 協(xié)議棧、無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，結(jié)合Wi-SUN 無線通信技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，便于各種通信任務(wù)的處理。

本系統(tǒng)屬于分散式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集器被分布在需要的場地中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集，采集器種類各不相同。本方案對(duì)所有采集器燒錄同一版程序，通過出廠配置定義出采集器的設(shè)備類型，根據(jù)不同類型查找對(duì)應(yīng)的采集程序。一種設(shè)備類型對(duì)應(yīng)傳感器設(shè)備在線檢測方法、讀取傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)方法以及傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)回傳后的處理流程。采集過程設(shè)定為每隔1 s 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算存儲(chǔ)。采集器的軟件流程如圖4 所示。

圖4 采集器的軟件流程

本采集器的軟件設(shè)計(jì)具備較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，如需增加采集設(shè)備，只需在傳感器數(shù)據(jù)獲取的方法表中添加對(duì)應(yīng)的采集流程即可。

3.5 存儲(chǔ)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中包含兩塊系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)域：一是模組本身的NV非易失性存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器速度較快；二是通過I2C 接口連接的外部鐵電存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)配置參數(shù)信息和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息，該存儲(chǔ)器具備防掉電功能。另外，為保證存儲(chǔ)的可靠性，本系統(tǒng)將兩塊存儲(chǔ)區(qū)域互為備份。

4 測試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于Wi-SUN 無線通信技術(shù)的碳采集計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能，開展了兩個(gè)方面的測試驗(yàn)證：碳采集功能驗(yàn)證和碳采集器Wi-SUN 自組網(wǎng)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)在功能和性能上滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，部分性能超出既定的目標(biāo)要求。

4.1 碳采集功能驗(yàn)證

搭建測試環(huán)境如圖5 所示，使用12 V 電源為設(shè)計(jì)的碳采集器樣機(jī)和碳傳感器樣機(jī)供電，將二者通過RS 485 連接構(gòu)成系統(tǒng)。待系統(tǒng)正常工作后，通過碳采集器預(yù)留的調(diào)試串口來監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行測試。

圖5 測試環(huán)境

將碳傳感器通過USB 轉(zhuǎn)TTL 正確連接至電腦，可以看到正確的COM 口，打開串口助手監(jiān)測工具，根據(jù)采集器所設(shè)置的波特率等參數(shù)正確建立連接。使用AT 指令查看具體的碳采集數(shù)據(jù)，采集測試結(jié)果見表2 所列，各項(xiàng)測試均滿足預(yù)期要求。

表2 碳采集功能測試

4.2 碳采集器Wi-SUN 自組網(wǎng)驗(yàn)證

搭建測試環(huán)境，將各個(gè)碳采集器和傳感器正確連接并供電，分散放置于樓層的各個(gè)辦公室內(nèi)。使用網(wǎng)關(guān)作為上層設(shè)備，準(zhǔn)備組網(wǎng)并接收碳采集器的組網(wǎng)信息和上傳數(shù)據(jù)，并放置于樓層中心。待系統(tǒng)正常工作后，使用MobarXterm 監(jiān)測軟件進(jìn)行組網(wǎng)測試。

將網(wǎng)關(guān)通過USB 轉(zhuǎn)TTL 正確連接電腦，打開監(jiān)測軟件MobarXterm，根據(jù)網(wǎng)關(guān)的波特率等參數(shù)使用串口模式建立連接。使用AT 指令來查看各個(gè)碳采集器與網(wǎng)關(guān)的自組網(wǎng)數(shù)據(jù)，具體測試結(jié)果見表3 所列。

表3 碳采集器Wi-SUN 自組網(wǎng)測試

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Wi-SUN 無線通信技術(shù)的碳采集計(jì)量系統(tǒng)，可廣泛用于電力生產(chǎn)過程中的碳排放監(jiān)測，彌補(bǔ)了當(dāng)前我國電力行業(yè)碳排放控制能力的不足。同時(shí)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也響應(yīng)了國家的低碳政策，在一定程度上也為國家電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，為溫室氣體排放的監(jiān)測提供了有效的手段，有利于推進(jìn)實(shí)現(xiàn)減污降碳的協(xié)同控制和生態(tài)環(huán)境的改善，推進(jìn)國家生態(tài)文明建設(shè)。