CN103018551A

CN103018551A - 一种带ZigBee通信模块的单相智能电能表

Info

Publication number: CN103018551A
Application number: CN2012105393648A
Authority: CN
Inventors: 周慧欣; 孙娟
Original assignee: QINGDAO QIANCHENG ELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: QINGDAO QIANCHENG ELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明属于电能计量技术领域，涉及一种带ZigBee通信模块的单相智能电能表，电流采样模块和电压采样模块分别与单相交流电源电连通后构成电能信号采集单元；计量单元分别与电能信号采集单元和微控制器电信息连通；LCD显示模块通过LCD控制驱动与微控制器电信息连通；电源模块与后备电池构成电源单元并分别与计量单元和微控制器电连接；实时时钟芯片RTC与微控制器电连接，后备电池经过电源模块与微控制器电连通；校表EEPROM、数据EEPROM和ZigBee通信模块分别与微控制器电信息连通；负载与单相交流电源电连接；该装置自动组网和修复，自动路由，现场安装简单，抄表成功率高，节点异常自动上报，便于现场维护。

Description

一种带ZigBee通信模块的单相智能电能表

技术领域:

本发明属于电能计量技术领域，涉及一种带ZigBee通信模块的单相智能电能表，用于对电能量进行采集测量和显示。

背景技术：

目前，普遍单相智能电能表的通信方式主要是使用RS485线或低压电力线载波与终端或采集器通信，485总线是一种用于设备联网的、经济型的、传统的工业总线方式，其通讯质量需要根据施工经验进行调试和测试才可以得到保证，485总线虽然简单，但也必须严格按照安装施工规范进行布线，利用已有的电力线路进行载波数据通信，实现与供电系统连接的各类用电设备和各类数据采集设备的互联互通，已在抄表和远程控制中实际应用。但是低压电力线载波通讯有很多缺点：一是电力载波抄表的成功率低；二是通讯速度慢，波特率只有几百bps；三是需要根据现场安装路由装备；而且使用GPRS或CDMA模块等无线通信模块则需要交纳网络运营费用，产生的运营费用往往难以让用电用户接受。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种适用于智能电网使用需求的带ZigBee通信模块的单相智能电能表。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括单相交流电源、电流采样模块、AC-DC变压器、负载、后备电池、电压采样模块、计量单元、电源模块、LCD显示模块、LCD控制驱动、微控制器、光电隔离、实时时钟芯片RTC、数据EEPROM、校表EEPROM、红外接口、RS485接口和ZigBee通信模块；电流采样模块和电压采样模块电连通后构成电能信号采集单元,电压采样模块通过分压电阻与单相交流电源电连通，电流采样模块通过电流互感器与单相交流电源电连通；计量单元与电能信号采集单元电连接，分别取得电流和电压的采集信号，并对单相电压、电流、功率和电能进行计量；计量单元通过SPI总线与微控制器电信息连通，微控制器从计量单元读取计量数据并根据计量数据分别计算有功功率、电压有效值和电流有效值；LCD显示模块采用I2C总线并通过LCD控制驱动与微控制器电信息连通，显示微控制器处理的数据；单相交流电源通过AC-DC变压器变为直流电后与电源模块连通，电源模块与后备电池联合构成电源单元，电源模块分别与计量单元和微控制器电连接，提供电能表工作电源；实时时钟芯片RTC与微控制器电连接，后备电池经过电源模块与微控制器电连通，用于满足ANSI标准的多费率分时计量及发生停电时实时时钟芯片RTC自动切换到后备电池；校表EEPROM与微控制器电信息连通用于存放校表数据；数据EEPROM与微控制器电信息连通用于存储微控制器处理的数据，包括当前正反向有功电能、冻结数据、编程、校时、掉电、电表清零和开表盖的记录；ZigBee通信模块与微控制器通过光电隔离的UART口相互电信息连接，采用支持IEEE802.15.4协议的ZigBee无线通信模块，该ZigBee无线通信模块经无线通信信道与远程抄表装置链接；负载串接电流采样模块后与单相交流电源电连接实现电源对负载的供电并完成电能量的计量。

本发明的单相交流电源经电流采集模块通过电流互感器对电流进行采样，经电压采样模块通过分压电阻对电压进行采样，然后将电压电流信号传给计量单元进行计算，微控制器从计量单元中读取计量数据并根据计量数据分别计算有功功率、电压有效值和电流有效值，电源模块为电能表工作提供电源，微控制器通过LCD控制驱动控制LCD显示模块对微控制器处理的数据进行显示，红外接口、RS485接口和ZigBee通信模块通过光电隔离与计量单元连接实现数据接收发送处理，实时时钟芯片RTC为电能表提供实时时钟数据，数据EEPROM存储微控制器处理的各种电能和事件记录数据，校表EEPROM存储校表数据；单相交流电源经AC-DC变压器后变为系统的工作的直流电源；红外接口、RS485接口、ZigBee通信模块与电能表内部通过光电隔离进行隔离，对电能表进行防护，防止因静电等外界因素损坏电能表内部器件。

本发明涉及的电流采样模块采用电流互感器隔离结构，对火线电流进行电流取样；电压采样模块采用分压电阻对连接电压进行电压取样；ZigBee通信模块采用深圳市昊辉微电子有限公司生产的国网采集器模块的HD250系列模块，自带HHNet自组网协议，接口协议与定义域国网单相表完全兼容，能兼容DL/T645-1997及2007通讯协议，模块工作在2.4GHZ ISM 16个频段；电能表中设置有红外接口，分别与RS485接口和ZigBee通信模块电信息连通后与微控制器电信息连接，支持红外光口通讯，支持RS-485通讯。

本发明与现有技术相比，ZigBee通信模块经无线通信信道与远程抄表装置链接，ZigBee技术有低功耗、低成本、短时延、高容量、高安全、免执照频段的优点，采用ZigBee通信模块的单相智能电能表自动组网，自动路由，自动修复，现场安装简单，抄表成功率高，节点异常自动上报，便于现场维护。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意框图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括单相交流电源1、电流采样模块2、AC-DC变压器3、负载4、后备电池5、电压采样模块6、计量单元7、电源模块8、LCD显示模块9、LCD控制驱动10、微控制器11、光电隔离12、实时时钟芯片RTC13、数据EEPROM14、校表EEPROM15、红外接口16、RS485接口17和ZigBee通信模块18；电流采样模块2和电压采样模块6电连通后构成电能信号采集单元,电压采样模块6通过分压电阻与单相交流电源1电连通，电流采样模块2通过电流互感器与单相交流电源1电连通；计量单元7与电能信号采集单元电连接，分别取得电流和电压的采集信号，并对单相电压、电流、功率和电能进行计量；计量单元7通过SPI总线与微控制器11电信息连通，微控制器11从计量单元7读取计量数据并根据计量数据分别计算有功功率、电压有效值和电流有效值；LCD显示模块9采用I2C总线并通过LCD控制驱动10与微控制器11电信息连通，显示微控制器11处理的数据；单相交流电源1通过AC-DC变压器3变为直流电后与电源模块8连通，电源模块8与后备电池5联合构成电源单元，电源模块8分别与计量单元7和微控制器11电连接，提供电能表工作电源；实时时钟芯片RTC13与微控制器11电连接，后备电池5经过电源模块8与微控制器11电连通，用于满足ANSI标准的多费率分时计量及发生停电时实时时钟芯片RTC13自动切换到后备电池5；校表EEPROM15与微控制器11电信息连通用于存放校表数据；数据EEPROM14与微控制器11电信息连通用于存储微控制器11处理的数据，包括当前正反向有功电能、冻结数据、编程、校时、掉电、电表清零和开表盖的记录；ZigBee通信模块18与微控制器11通过光电隔离12的UART口相互电信息连接，采用支持IEEE802.15.4协议的ZigBee无线通信模块，该ZigBee通信模块经无线通信信道与远程抄表装置链接；负载4串接电流采样模块2后与单相交流电源1电连接实现电源对负载4的供电并完成电能量的计量。

本实施例的单相交流电源1经电流采集模块2通过电流互感器对电流进行采样，经电压采样模块6通过分压电阻对电压进行采样，然后将电压电流信号传给计量单元7进行计算，微控制器11从计量单元7中读取计量数据并根据计量数据分别计算有功功率、电压有效值和电流有效值，电源模块8为电能表工作提供电源，微控制器11通过LCD控制驱动10控制LCD显示模块9对微控制器11处理的数据进行显示，红外接口16、RS485接口17和ZigBee通信模块18通过光电隔离12与计量单元连接实现数据接收发送处理，实时时钟芯片RTC13为电能表提供实时时钟数据，数据EEPROM 14存储微控制器处理的各种电能和事件记录数据，校表EEPROM 15存储校表数据；单相交流电源1经AC-DC变压器3后变为系统的工作的直流电源；红外接口16、RS485接口18、ZigBee通信模块19与电能表内部通过光电隔离12进行隔离，对电能表进行防护，防止因静电等外界因素损坏电能表内部器件。

本实施例的单相交流电源1采用220V/50Hz的居民或工业用单相交流电，为本系统提供工作电源；电流采集模块2为电流采样模块，通过电流互感器对电流进行采样；AC-DC变压器3将交流电转变成直流电为电能表提供电源；负载4为电能表实际使用时所连接的负载；后备电池5为微控制器11、实时时钟芯片13提供掉电电源；电压采样模块6通过分压电阻对电压进行电压采样；计量单元7与所述电能信号采样模块连接，取得电流、电压的采集信号，对单相电压、功率和电能进行计量；电源模块8为电能表工作提供电源微控制器11通过LCD控制驱动10控制LCD显示模块9对微控制器11处理的数据进行显示；LCD控制驱动10是LCD显示模块9的控制和驱动部分；微控制器11与计量单元7连接，从计量单元7读取计量数据并根据计量数据分别计算有功功率、电压有效值和电流有效值；光电隔离12提供外部通讯单元与电能表的有效隔离，有效防护电表；实时时钟芯片RTC13为电表提供实时时钟数据；数据EEPROM14用于存储微控制器11处理的数据；校表EEPROM15用于存放校表数据；红外接口16使电表具有红外通讯功能；RS485接口17使电表具有485通讯功能；ZigBee通信模块18使电能表具有ZigBee通讯功能。

Claims

1.一种带ZigBee通信模块的单相智能电能表，其特征在于：主体结构包括单相交流电源、电流采样模块、AC-DC变压器、负载、后备电池、电压采样模块、计量单元、电源模块、LCD显示模块、LCD控制驱动、微控制器、光电隔离、实时时钟芯片RTC、数据EEPROM、校表EEPROM、红外接口、RS485接口和ZigBee通信模块；电流采样模块和电压采样模块电连通构成电能信号采集单元,电压采样模块通过分压电阻与单相交流电源电连通，电流采样模块通过电流互感器与单相交流电源电连通；计量单元与电能信号采集单元电连接，分别取得电流和电压的采集信号，并对单相电压、电流、功率和电能进行计量；计量单元通过SPI总线与微控制器电信息连通，微控制器从计量单元读取计量数据并根据计量数据分别计算有功功率、电压有效值和电流有效值；LCD显示模块采用I2C总线并通过LCD控制驱动与微控制器电信息连通，显示微控制器处理的数据；单相交流电源通过AC-DC变压器变为直流电后与电源模块连通，电源模块与后备电池联合构成电源单元，电源模块分别与计量单元和微控制器电连接，提供电能表工作电源；实时时钟芯片RTC与微控制器电连接，后备电池经过电源模块与微控制器电连通，用于满足ANSI标准的多费率分时计量及发生停电时实时时钟芯片RTC自动切换到后备电池；校表EEPROM与微控制器电信息连通用于存放校表数据；数据EEPROM与微控制器电信息连通用于存储微控制器处理的数据，包括当前正反向有功电能、冻结数据、编程、校时、掉电、电表清零和开表盖的记录；ZigBee通信模块与微控制器通过光电隔离的UART口相互电信息连接，采用支持IEEE802.15.4协议的ZigBee无线通信模块，该ZigBee无线通信模块经无线通信信道与远程抄表装置链接；负载串接电流采样模块后与单相交流电源电连接实现电源对负载的供电并完成电能量的计量。

2.根据权利要求1所述的带ZigBee通信模块的单相智能电能表，其特征在于：单相交流电源经电流采集模块通过电流互感器对电流进行采样，经电压采样模块通过分压电阻对电压进行采样，然后将电压电流信号传给计量单元进行计算，微控制器从计量单元中读取计量数据并根据计量数据分别计算有功功率、电压有效值和电流有效值，电源模块为电能表工作提供电源，微控制器通过LCD控制驱动控制LCD显示模块对微控制器处理的数据进行显示，红外接口、RS485接口和ZigBee通信模块通过光电隔离与计量单元连接实现数据接收发送处理，实时时钟芯片RTC为电能表提供实时时钟数据，数据EEPROM存储微控制器处理的各种电能和事件记录数据，校表EEPROM存储校表数据；单相交流电源经AC-DC变压器后变为系统的工作的直流电源；红外接口、RS485接口、ZigBee通信模块与电能表内部通过光电隔离进行隔离，对电能表进行防护，防止因静电损坏电能表内部器件。