CN100428720C - 一种支持ZigBee的电能数据采集方法和电能计量装置 - Google Patents

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Abstract

一种支持ZigBee的电能数据采集方法和电能计量装置，其特征在于：采用支持ZigBee的嵌入式处理器/控制器，设有通过SPI总线接口与微控制器相连的支持ZigBee的无线通信模块，支持ZigBee的无线通信模块通过异构网络的网关与数据监控中心相连，微控制器通过其接收数据监控中心的巡检、查询指令，向通断电继电开关发布断电或通电指令，并将采集的数据传送至数据监控中心汇整。免除了传统抄表网络的烦琐的配置过程，由于网络节点设备硬件价格低廉，不仅最大程度地降低了网络维护成本、人力和时间，而且允许组建容纳多达六万五千个电能计量装置的高冗余节点的网络，保证网络具有强大的数据采集能力和出错自恢复能力，在个别节点停止工作的情况下仍然可以正常运转。

Description

一种支持ZigBee的电能数据采集方法和电能计量装置
技术领域
本发明涉及用于测量电功率或电流的时间积分的机电装置，尤其是涉及一种支持ZigBee的电能数据采集方法和电能计量装置。
背景技术
电能计量、电费核算与准确、及时的收缴电费是用电管理的重要内容。而现有电能数据的采集基本上是手工抄表，需要用电管理人员进楼入户，每月或两个月抄表一次，再通过微机或手工制作的电费单催促用户缴纳电费，存在着错抄、漏抄、估抄问题以及不安全的隐患。采用自动抄表系统是解决上述问题和提高电力系统用电管理水平的有效途径之一，其中无线抄表系统又是自动抄表系统中一种比较先进的抄表方式，例如中国专利CN1122388C、CN1122389C分别公告的《利用GSM、CDMA网进行信息交换的电能计量装置数据采集器及通信方法》和《利用GSM、CDMA网进行信息交换的电能计量装置及通信方法》，但是，这种无线抄表系统受到GSM、CDMA网络蜂窝通信技术规模的限制，单位地域的用户数量不能太多，不适于大规模地同时采集电能计量数据，而且，需要交纳网络运行费用，长年的运行费用，特别是在远程终端单元(Remote Terminal Unit，简称RTU)比较多时，运行费用往往难以被使用RTU的用电用户所接收。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提出一种支持ZigBee的电能数据采集方法。
本发明所要解决的另一个技术问题是提出一种实现上述方法的电能计量装置。
对于本发明支持ZigBee的电能数据采集方法来说，其技术问题通过以下技术方案予以解决。
这种支持ZigBee的电能数据采集方法的特点是：
依次有以下步骤：
(1)每个支持ZigBee的电能计量装置通电后，启动建立支持ZigBee的自组织网络，包括每个支持ZigBee的电能计量装置建立至异构网络的网关的路由，以及异构网络的网关建立至ZigBee网络中每个电能计量装置的路由表；
(2)每个支持ZigBee的电能计量装置，通过其建立至异构网络的网关的路由，将采集的常规数据、异常状态数据传输至异构网络的网关；
(3)数据监控中心通过异构网络的网关到ZigBee网络中每个电能计量装置的路由，向每个支持ZigBee的电能计量装置发送巡检、查询指令，在汇整电能计量装置的数据、状态和费率信息后，对指定的电能计量装置发送断电或通电指令。
对于本发明的支持ZigBee的电能数据采集方法来说，其技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
所述建立支持ZigBee的自组织网络是建立Ad hoc网络(Ad hocnetwork)，由每个设有支持ZigBee的无线通信模块的支持ZigBee的电能计量装置形成有组织、有结构、自形成、自恢复的多跳无线网络，支持ZigBee的无线通信模块具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，由网络中的节点本身与本节点周围的节点进行通信，即实现无线通信模块之间以及与数据监控中心之间的通信，这种网络可以独立工作，也可以与Internet或蜂窝无线网络连接，在后一种情况中，Ad hoc网络通常是以末端子网即树状网络的形式接入现有网络。
所述支持ZigBee是支持ZigBee联盟(ZigBee Alliance)所主导的无线传感器网络标准，采用IEEE 802.15.4作为其物理层标准，在其之上开发网络层和应用接口协议，并提供产品测试和认证。
所述异构网络即通信信道，包括PSTN电话网络、GSM/CDMA/3G无线网络、IP网络、Wi-Fi、Wi-Max、UWB无线宽带网络，以及光纤、xDSL、ISDN有线宽带网络。
所述每个支持ZigBee的电能计量装置建立至异构网络的网关的路由，包括经至少一个支持ZigBee的电能计量装置或支持ZigBee的中继器建立至异构网络的网关的路由。
对于本发明支持ZigBee的电能计量装置来说，其技术问题通过以下技术方案予以解决。
所述支持ZigBee的电能计量装置，直接安装在用户总进线前端，包括设置在输入端与输出端之间逐级连接的分压分流单元、电能计量单元、主控制单元和通断电继电开关，所述主控制单元包括带非易失性存储器的微控制器，以及微控制器的外围电路。
所述支持ZigBee的电能计量装置的特点是：
所述微控制器是支持ZigBee的嵌入式处理器/控制器，固化的程序包括多线程实时操作系统、ZigBee协议栈、数据安全层、应用支持子层和ZigBee设备管理，负责安全、可靠的信息交换。
设有支持ZigBee的无线通信模块，所述支持ZigBee的无线通信模块由所述微控制器控制，通过SPI总线接口与所述微控制器相连，即支持ZigBee的无线通信模块与电能计量单元合用主控制单元的微控制器，以提高系统稳定性，并显著降低系统成本。
所述支持ZigBee的无线通信模块通过异构网络的网关与数据监控中心相连，微控制器通过支持ZigBee的无线通信模块接收数据监控中心的巡检、查询指令，向通断电继电开关发布断电或通电指令，并将采集的数据传送至数据监控中心汇整。
对于本发明的支持ZigBee的电能计量装置来说，其技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
所述支持ZigBee的无线通信模块是至少具有以下功能的无线通信模块：
(1)有2.4GHz直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，简称DSSS)通信方式；
(2)低功耗设计；
(3)有SPI接口；
(4)有接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication，简称RSSI)与链路质量指示(link quality indication，简称LQI)支持。
所述支持ZigBee的无线通信模块与微控制器采用分立接插件结构通过SPI总线接口相连。在支持ZigBee的无线通信模块性能下降时，只要将其单独更换，而不必更换整个电能计量装置，明显延长电能计量装置的使用寿命。
所述支持ZigBee的嵌入式处理器/控制器是至少具有以下功能的嵌入式处理器/控制器：
(1)有足够容量存放ZigBee协议栈的RAM，且Flash程序区可自读写；
(2)固化有用电指令接收、电量检测、时段切换、电量运行计算、存贮、用电数据发送功能，以及支持ZigBee组网通信程序功能，且有在线编程功能；
(3)有包括中断、复位的异常控制功能；
(4)低功耗设计；
(5)有EMS电磁防护功能。
所述ZigBee协议栈，包括提供MAC层和网络层的服务、自动形成多跳网络路由和自主控制的网络拓扑结构，同时在个别节点失效的情况下快速自适应恢复，以实现网络的自组织、自冗余、自恢复、自动睡眠与苏醒，保持电能计量装置极低的能耗，安全层提供系统的整体安全机制，保护MAC层、网络或应用层，为了降低存储要求，它们可以分享安全钥匙，应用支持子层通过网络层和安全层与端点相接，并为数据传送、安全和绑定提供服务。
所述微控制器的外围电路包括分别与其连接的RS485接口电路、显示电路。
所述RS485接口电路，通过UART接口与微控制器连接。用于由用电管理部门预先设置包括用电底度数、用电时段、峰、平、谷三种费率的运行参数。
所述显示电路包括LCD、LED或数码管及其显示驱动电路，通过SPI接口与微控制器连接。用于显示电能计量装置运行的有关用电数据，以便用户及用电管理部门观察。显示内容包括运行时段、日期、当前总电量、当前峰电量、当前平电量、当前谷电量、电能计量装置的编号。
所述数据监控中心包括网络监控系统、数据库和HTTP服务器，所述网络监控系统基于Web数据管理方式，监控ZigBee网络拓扑结构、路由状态、支持ZigBee的电能计量装置的数据、状态和费率信息，并作出及时处置；所述数据库接收各个电能计量装置采集的数据，并对数据进行统计、运算、处理，完成分类、筛选和综合分析，自动生成各种报表；所述HTTP服务器接收来自远程网络浏览器的连接请求，并以客户/服务器的方式向用电管理部门提供标准的HTTP服务。
所述非易失性存储器是快闪存储器(Flash Memory)、铁电体存储器(Ferroelectric RAM)、磁阻存储器(Magneto-resistive RAM)、相变存储器(Ovonic Unified Memory)，或快闪存储器与铁电体存储器、磁阻存储器、相变存储器的组合。所述快闪存储器用于存储经用电管理部门注册登记且不能更改和抹掉的不变数据。所述铁电存储器、磁阻存储器、相变存储器用于存储包括每日不同时段用电量、累计用电量在内的可变数据。
本发明与现有技术相比具有以下的优点和有益效果：
本发明方法采用Ad hoc自动组网技术，任何支持ZigBee电能计量装置只要处于无线通信范围内，无须任何安装配置，即可自动加入已有网络，并自动形成信息路由路径，免除了传统抄表网络的烦琐的配置过程，由于网络节点设备硬件价格低廉，不仅最大程度地降低了网络维护成本、人力和时间，而且允许组建容纳多达六万五千个电能计量装置的高冗余节点的网络，保证网络具有强大的数据采集能力和出错自恢复能力，在个别节点停止工作的情况下仍然可以正常运转。此外，本发明方法采用2.4GHz工控频段无线通信，无需国家无线电管理机关批准，不必缴纳频谱占用费用，也不必租用公网，不用缴纳通信费用，可以显著降低运行成本，而且支持ZigBee的无线通信模块是硬币大小的低功耗智能设备，其微小的体积可以降低安装和维护的要求与成本，还可以在特殊环境下应用。
本发明的支持ZigBee的电能计量装置可以取代现有有功电能计量装置，用电管理部门可以采用按用电时段的计费方式向用户收取电费，有效预防私自修改表计的盗电行为，可以根据用户预付费情况和电能计量装置的数据、状态，远程控制禁止或允许用户用电，进一步提高电力系统用电管理水平。
附图说明
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步说明。
图1为本发明方法的用电数据自动采集系统组成示意图；
图2为本发明的电能计量装置具体实施方式电路组成方框图；
图3为本发明方法的具体实施方式的常规电能数据采集发送过程示意图；
图4为本发明方法的具体实施方式的异常电能数据报告过程示意图；
图5为本发明方法的具体实施方式的电能计量装置断电过程示意图；
图6为本发明方法的具体实施方式的电能计量装置通电过程示意图。
具体实施方式
如图1所示的支持ZigBee电能数据采集方法的用电数据自动采集系统由集成ZigBee的数据采集模块1、异构网络的网关2和数据监控中心3组成。
集成ZigBee的数据采集模块1是支持ZigBee的电能计量装置，通电后，启动建立支持ZigBee的自组织网络，包括每个支持ZigBee的电能计量装置建立至异构网络的网关的路由，异构网络的网关建立至ZigBee网络中每个电能计量装置的路由表。
每个支持ZigBee的电能计量装置，通过其建立至异构网络的网关的路由，将采集的常规数据、异常状态数据传输至异构网络的网关，由异构网络的网关2再传输至数据监控中心3，同时接收来自数据监控中心3的巡检、查询指令。
数据监控中心3通过异构网络的网关到ZigBee网络中每个电能计量装置的路由，向每个支持ZigBee的电能计量装置发送巡检、查询指令，在汇整电能计量装置的数据、状态和费率信息后，对指定的电能计量装置发送断电或通电指令。
如图2所示的支持ZigBee的电能计量装置，直接安装在用户总进线前端，包括设置在输入端与输出端之间逐级连接的分压分流单元4、电能计量单元5、主控制单元和通断电继电开关6。
电能计量单元5是ADI公司出品的型号为ADE7755的单相电能计量集成电路或型号为ADE7758的三相电能计量集成电路，内部集成有Δ-∑模数转换器和数字信号处理器，输出的有功功率平均值、瞬时值能直接与所述微控制器接口。
主控制单元包括带非易失性存储器7的微控制器8，以及微控制器8的外围电路：RS485接口电路9、LCD显示电路10。
非易失性存储器7是Ramtron公司出品的型号为FM24C64/FM24C256的64/256KB非易失性铁电随机存储器，可擦写寿命为100亿次，掉电数据保存10年，写数据无延时，总线速度可以达到1MHz。
微控制器8是Freescale公司出品的型号为MC68HC908LJ24的支持ZigBee的嵌入式微控制器，8MHZ内部总线频率，768字节片内RAM，24K片内FLASH程序存储器，具有在线编程能力和保密功能，运行电压比较低，功耗小，使用电池即可完成供电，其自带实时时钟模块和LCD驱动模块，特别适用于智能仪表，微控制器8固化的程序包括多线程实时操作系统、ZigBee协议栈、数据安全层、应用支持子层和ZigBee设备管理，负责安全，可靠的信息交换。
设有由微控制器8控制的支持ZigBee的无线通信模块11，它通过SPI总线接口与微控制器8相连，并通过异构网络的网关2与数据监控中心3相连，微控制器8通过支持ZigBee的无线通信模块11接收数据监控中心3的巡检、查询指令，向通断电继电开关6发布断电或通电指令，并将采集的数据传送至数据监控中心3汇整。
支持ZigBee的无线通信模块11包括Freescale公司出品的型号为MC13192/1的双向2.4GHz射频数据调制解调器、时钟电路，平衡与非平衡电路和天线，所述射频数据调制解调器根据IEEE 802.15.4标准设计，采用ZigBee技术，具有优化的数字核心，有助于降低处理功率，缩短执行周期，使用电池即可完成供电。
本发明提供DES、AES、SSF33空中加密算法，先编写通过SPI接口控制MC13192/1射频数据调制解调器的驱动程序，然后在其上完成ZigBee的MAC层开发。
固化的程序包括提供电能计量装置计量、计费、断续电管理等服务的表计应用程序，提供信息显示服务的显示应用程序，提供RS485通信服务的通信应用程序，提供对网络层参数进行配置和访问的ZigBee设备系统程序，它们共同使用802.15.4和ZigBee协议栈提供的服务。
本发明方法的自动数据采集包括常规电能数据采集发送、异常电能数据报告、电能计量装置断电报告，以及电能计量装置通电报告。
如图3所示的常规电能数据采集发送过程，依次有以下步骤：
(1)每个电能计量装置将采集的电能数据存储在缓冲器内等待发送；
(2)在下一发送时隙前，如果有相同目标地址的数据，就汇聚成数据包，按照自组织网络的路由，将数据包发送到下一个电能计量装置节点；
如果到达的不是网关，就按照路由表将数据包发送到下一个电能计量装置节点；
如果到达的是网关，就由网关将数据包通过异构网络发送到数据监控中心。
如图4所示的异常电能数据报告过程，依次有以下步骤：
(1)每个电能计量装置将采集的电能数据存储在缓冲器内；
(2)检查数据是否呈递减、增长或异常波动状态；
(3)如果电能计量装置采集的电能数据呈异常波动状态，就形成状态异常报告等待发送；
(4)在下一发送时隙前，如果有相同目标地址的数据，就汇聚成数据包，按照自组织网络的路由，将数据包发送到下一个电能计量装置节点；
如果到达的不是网关，就按照路由表将数据包发送到下一个电能计量装置节点；
如果到达的是网关，就由网关将数据包通过异构网络发送到数据监控中心。
如图5所示的电能计量装置断电报告过程，依次有以下步骤：
(1)数据监控中心通过异构网络发送断电指令给异构网络的网关；
(2)按照自组织网络的路由，由网关中继将断电指令发送到下一个电能计量装置节点；
(3)如果下一个电能计量装置节点是目标电能计量装置，检查是否已断电，如果是，发送报告回传数据监控中心，如果否，就执行断电；
如果下一个电能计量装置节点不是目标电能计量装置，按照自组织网络的路由，继续将断电指令发送到再下一个电能计量装置节点，直至发送到目标电能计量装置。
如图6所示的电能计量装置通电报告过程，依次有以下步骤：
(1)数据监控中心通过异构网络发送通电指令给异构网络的网关；
(2)按照自组织网络的路由，由网关中继将通电指令发送到下一个电能计量装置节点；
(3)如果下一个电能计量装置节点是目标电能计量装置，检查是否已通电，如果是，发送报告回传数据监控中心，如果否，就执行通电；
如果下一个电能计量装置节点不是目标电能计量装置，按照自组织网络的路由，继续将通电指令发送到再下一个电能计量装置节点，直至发送到目标电能计量装置。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种使用如权利要求6的支持ZigBee的电能计量装置的支持ZigBee的电能数据采集方法，其特征在于：
依次有以下步骤：
(1)每个支持ZigBee的电能计量装置通电后，启动建立支持ZigBee的自组织网络，包括每个支持ZigBee的电能计量装置建立至异构网络的网关的路由，以及异构网络的网关建立至ZigBee网络中每个电能计量装置的路由表；
(2)每个支持ZigBee的电能计量装置，通过其建立至异构网络的网关的路由，将采集的常规数据、异常状态数据传输至异构网络的网关；
(3)数据监控中心通过异构网络的网关到ZigBee网络中每个电能计量装置的路由，向每个支持ZigBee的电能计量装置发送巡检、查询指令，在汇整电能计量装置的数据、状态和费率信息后，对指定的电能计量装置发送断电或通电指令。
2.根据权利要求1所述的支持ZigBee的电能数据采集方法，其特征在于：
所述建立支持ZigBee的自组织网络是建立Ad hoc网络，由每个设有支持ZigBee的无线通信模块的支持ZigBee的电能计量装置形成有组织、有结构、自形成、自恢复的多跳无线网络，支持ZigBee的无线通信模块具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，由网络中的节点本身与本节点周围的节点进行通信。
3.根据权利要求1或2所述的支持ZigBee的电能数据采集方法，其特征在于：
所述支持ZigBee是支持ZigBee联盟所主导的无线传感器网络标准，采用IEEE 802.15.4作为其物理层标准，在其之上开发网络层和应用接口协议，并提供产品测试和认证。
4.根据权利要求3所述的支持ZigBee的电能数据采集方法，其特征在于：
所述异构网络即通信信道，包括PSTN电话网络、GSM/CDMA/3G无线网络、IP网络、Wi-Fi、Wi-Max、UWB无线宽带网络，以及光纤、xDSL、ISDN有线宽带网络。
5.根据权利要求4所述的支持ZigBee的电能数据采集方法，其特征在于：
所述每个支持ZigBee的电能计量装置建立至异构网络的网关的路由，包括经至少一个支持ZigBee的电能计量装置或支持ZigBee的中继器建立至异构网络的网关的路由。
6.一种支持ZigBee的电能计量装置，直接安装在用户总进线前端，包括设置在输入端与输出端之间逐级连接的分压分流单元、电能计量单元、主控制单元和通断电继电开关，所述主控制单元包括带非易失性存储器的微控制器，以及微控制器的外围电路，其特征在于：
所述微控制器是支持ZigBee的嵌入式处理器/控制器，固化的程序包括多线程实时操作系统、ZigBee协议栈、数据安全层、应用支持子层和ZigBee设备管理，负责安全、可靠的信息交换，所述支持ZigBee的嵌入式处理器/控制器是至少具有以下功能的嵌入式处理器/控制器：
(1)有足够容量存放ZigBee协议栈的RAM，且Flash程序区可自读写；
(2)固化有用电指令接收、电量检测、时段切换、电量运行计算、存贮、用电数据发送功能，以及支持ZigBee组网通信程序功能，且有在线编程功能；
(3)有包括中断、复位的异常控制功能；
(4)低功耗设计；
(5)有EMS电磁防护功能；
设有支持ZigBee的无线通信模块，所述支持ZigBee的无线通信模块由所述微控制器控制，通过SPI总线接口与所述微控制器相连，即支持ZigBee的无线通信模块与电能计量单元合用主控制单元的微控制器，所述支持ZigBee的无线通信模块是至少具有以下功能的无线通信模块：
(1)有2.4GHz直接序列扩频通信方式；
(2)低功耗设计；
(3)有SPI接口；
(4)有接收信号强度指示与链路质量指示支持；
所述支持ZigBee的无线通信模块通过异构网络的网关与数据监控中心相连。
7.根据权利要求6所述的支持ZigBee的电能计量装置，其特征在于：
所述ZigBee协议栈，包括提供MAC层和网络层的服务、自动形成多跳网络路由和自主控制的网络拓扑结构，安全层提供系统的整体安全机制，保护MAC层、网络或应用层，应用支持子层通过网络层和安全层与端点相接，并为数据传送、安全和绑定提供服务。
8.根据权利要求6所述的支持ZigBee的电能计量装置，其特征在于：
所述支持ZigBee的无线通信模块与微控制器采用分立接插件结构通过SPI总线接口相连。
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基于射频芯片CC2420 ZigBee无线通信节点设计. 代忠，樊晓光，万明，周灼荣.传感器世界，第5期. 2006
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