CN104732748A - 基于Zigbee网络的电能信息采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Zigbee网络的电能信息采集系统及方法，基于Zigbee网络的电能信息采集系统由一个上位机子系统和两个下位机子系统组成，上位机子系统主要负责数据显示、存储和与下位机子系统的通信；下位机子系统与电气设备一一对应，负责对该设备的电能数据采集、传输和与上位机子系统的通信，上位机子系统和下位机子系统之间通过Zigbee网络进行数据的传输。本发明的上位机子系统和下位机子系统之间通过Zigbee无线网络进行通信，避免了使用数据传输线，非常适用于电气设备频繁移动的场合。

Description

基于Zigbee网络的电能信息采集系统及方法

技术领域

本发明涉及一种采集系统及方法，具体地，涉及一种基于Zigbee网络的电能信息采集系统及方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展和居民生活水平的不断提高，电力需求日益增长，电气设备的应用也越来越广泛，因此对设备的电能信息采集系统提出了更高的要求。无论是对工业生产设备的运行状态监测，还是光伏发电系统的发电数据记录，或是智能家居的电能信息计量，都需要用到电能信息采集系统。

在传统电能信息采集系统中，上位机一般采用有线的方式对下位机进行控制盒数据传输，从而导致系统的适应性较差。当需采集电能信息的设备数量较多或设备可能频繁移动的情况下，基于有线传输方式的电能信息采集系统不仅操作不方便，而且对数据传输线的长度也提出了要求。ZigBee技术作为一种无线网络技术，具有低功耗、低成本、网络容量大和可靠性高等特点，非常适合小范围的电能信息采集系统。在基于Zigbee网络的电能信息采集系统中，上位机与下位机采用Zigbee无线网络进行通信，从而避免了数据传输线的使用，设备能够更加方便的移动。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于Zigbee网络的电能信息采集系统及方法，其上位机子系统和下位机子系统之间通过Zigbee无线网络进行通信，避免了数据传输线的使用，非常适用于电气设备频繁移动的场合。

根据本发明的一个方面，提供一种基于Zigbee网络的电能信息采集系统，其特征在于，其由一个上位机子系统和两个下位机子系统组成，上位机子系统主要负责数据显示、存储和与下位机子系统的通信；下位机子系统与电气设备一一对应，负责对该设备的电能数据采集、传输和与上位机子系统的通信，上位机子系统和下位机子系统之间通过Zigbee网络进行数据的传输。

优选地，所述上位机子系统由计算机和第一Zigbee网络收发模块组成，计算机和第一Zigbee网络收发模块采用RS-232串口通信；下位机子系统由第二Zigbee网络收发模块、单片机模块、电能采集模块和电源模块组成，第二Zigbee网络收发模块、单片机模块、电能采集模块依次连接，第二Zigbee网络收发模块、单片机模块、电能采集模块都与电源模块连接。

优选地，所述上位机子系统中的计算机负责电能数据的显示和存储，数据存储在txt文件、ACCESS数据库或SQL Server数据库中，用户根据数据量大小和数据存储速度选择存储方式；此外，数据同时以字符串和实时曲线两种方式进行显示。

优选地，所述电能采集模块包括保险丝、电压互感器、电流互感器、第一电阻、第二电阻、第三分压电阻、第四分压电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八分压电阻、第九分压电阻、第十电阻、第一滤波电容、第二滤波电容、CS5463型芯片，保险丝与第一电阻串联，第三分压电阻与第四分压电阻串联，第二电阻与第五电阻并联，第七电阻与第十电阻并联，第一电阻、第二电阻、第三分压电阻、第四分压电阻、第五电阻都与电压互感器连接，第一电阻、第六电阻、第七电阻、第八分压电阻、第九分压电阻、第十电阻都与电流互感器连接，第三分压电阻与第四分压电阻串联，第八分压电阻与第九分压电阻串联，第二电阻、第五电阻、第七电阻、第十电阻、第一滤波电容、第二滤波电容都与CS5463型芯片连接。

本发明还提供一种基于Zigbee网络的电能信息采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，选择计算机和第一Zigbee网络收发模块的通信串口的串口号，建立两者串口通信连接，并存储该串口号以及第一Zigbee网络收发模块的Zigbee网络地址；

步骤二，选择下位机子系统，存储相应第二Zigbee网络收发模块的Zigbee网络地址，建立第一Zigbee网络收发模块2和第二Zigbee网络收发模块的Zigbee网络通信连接；

步骤三，计算机通过RS-232标准串口发出电能信息查询指令，第一Zigbee网络收发模块接收指定串口信息后，根据该电能信息查询指令，通过Zigbee网络向指定Zigbee网络地址的第二Zigbee网络收发模块发送查询指令；

步骤四，第二Zigbee网络收发模块读取该指令并发送至单片机，单片机接收电能采集模块的采集的电能信息，然后将该电能信息按电能查询指令传输的反方向传输给计算机。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明的上位机子系统和下位机子系统之间通过Zigbee无线网络进行通信，避免了数据传输线的使用，非常适用于电气设备频繁移动的场合。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基于Zigbee网络的电能信息采集系统的原理框图。

图2为本发明中电能采集模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明基于Zigbee网络的电能信息采集系统的实施例如图1所示。本实施例由一个上位机子系统8和两个下位机子系统9组成，上位机子系统8主要负责数据显示、存储和与下位机子系统9的通信，一般由计算机位置决定其安装位置，作为整个系统的管理中心；下位机子系统9与电气设备一一对应，负责对该设备的电能数据采集、传输和与上位机子系统8的通信，该下位机子系统9安装在电气设备上，可随电气设备在一定范围内随意移动；上位机子系统8和下位机子系统9之间通过Zigbee网络3进行数据的传输。

上位机子系统8由计算机1和第一Zigbee网络收发模块2组成，计算机1和第一Zigbee网络收发模块2采用RS-232串口通信；下位机子系统9由第二Zigbee网络收发模块4、单片机模块5、电能采集模块6和电源模块7组成，第二Zigbee网络收发模块4、单片机模块5、电能采集模块6依次连接，第二Zigbee网络收发模块4、单片机模块5、电能采集模块6都与电源模块7连接。上位机子系统中的计算机负责电能数据的显示和存储，数据可存储在txt文件、ACCESS数据库或SQLServer数据库中，用户可根据数据量大小和数据存储速度选择存储方式；此外，数据同时以字符串和实时曲线两种方式进行显示。

本发明基于Zigbee网络的电能信息采集方法包括以下步骤：

步骤一，选择计算机1和第一Zigbee网络收发模块2的通信串口的串口号，建立两者串口通信连接，并存储该串口号以及第一Zigbee网络收发模块2的Zigbee网络地址；

步骤二，选择下位机子系统9，存储相应第二Zigbee网络收发模块4的Zigbee网络地址，建立第一Zigbee网络收发模块2和第二Zigbee网络收发模块4的Zigbee网络通信连接；

步骤三，计算机1通过RS-232标准串口发出电能信息查询指令，第一Zigbee网络收发模块2接收指定串口信息后，根据该电能信息查询指令，通过Zigbee网络向指定Zigbee网络地址的第二Zigbee网络收发模块4发送查询指令；

步骤四，第二Zigbee网络收发模块4读取该指令并发送至单片机5，单片机5接收电能采集模块6的采集的电能信息，然后将该电能信息按电能查询指令传输的反方向传输给计算机1。

本发明采用德州仪器公司生产的CC2530型芯片完成Zigbee网络信息收发的任务，CC2530型芯片集成适应2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收发器，灵敏性高、抗干扰能力强，组建网络系统时只需要极少量的外界元件和一个晶振。

电源模块采用两级降压的方式获得参考电压，即220V交流电通过变压器后，再通过四个二极管IN4007组成的整流桥整流，然后经过稳压芯片LM7805将电压稳定至5V，为Zigbee网络收发模块、单片机模块和电能采集模块提供电源。

图2为上述电能采集模块6的电路原理图。电能采集模块6包括保险丝F1、电压互感器T1、电流互感器T2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三分压电阻R3、第四分压电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八分压电阻R8、第九分压电阻R9、第十电阻R10、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、CS5463型芯片，保险丝F1与第一电阻R1串联，第三分压电阻R3与第四分压电阻R4串联，第二电阻R2与第五电阻R5并联，第七电阻R7与第十电阻R10并联，第一电阻R1、第二电阻R2、第三分压电阻R3、第四分压电阻R4、第五电阻R5都与电压互感器T1连接，第一电阻R1、第六电阻R6、第七电阻R7、第八分压电阻R8、第九分压电阻R9、第十电阻R10都与电流互感器T2连接，第三分压电阻R3与第四分压电阻R4串联，第八分压电阻R8与第九分压电阻R9串联，第二电阻R2、第五电阻R5、第七电阻R7、第十电阻R10、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2都与CS5463型芯片连接。本发明基于CIRRUS公司的CS5463型芯片设计了电能计量电路，首先经过电压互感器T1、电流互感器T2、第三分压电阻R3、第四分压电阻R4、第八分压电阻R8、第九分压电阻R9、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2等元件将用待测电流、电压转换成在电能计量芯片识别范围内的电能信号，然后CS5463芯片对该信号进行处理，计算电流有效值、电压有效值、频率和有功功率等电能信息，最后通过SPI接口将该信息传输给单片机。

根据图1正确安装电能信息采集系统后，在计算机上操作相应的上位机界面，即可得到各个电气设备的电能信息。首先，对系统进行设置，选择串口号并点击“打开串口”按钮，使得计算机和第一Zigbee网络收发模块能够通过串口通信。其次，选择系统终端并点击“连接终端”按钮，使得上位机子系统8和下位机子系统9能够通过Zigbee网络通信。然后，选择数据库类型和数据存储位置。设置完成后，在实时数据显示与控制界面区域，选择终端并点击“显示信息”按钮，即可实时显示电气设备的电能信息；在历史数据查询界面区域选择日期并点击“查询”按钮，即可查询电气设备电能信息的历史数据。

在本发明中，上位机与下位机采用Zigbee无线网络进行通信，避免了数据传输线的使用，非常适用于电气设备频繁移动的场合，与传统有线网络电能采集系统相比，具有更好的灵活性和经济性，即上位机与下位机之间不需要通过数据传输线连接，大大提高了系统的灵活性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基于Zigbee网络的电能信息采集系统，其特征在于，其由一个上位机子系统和两个下位机子系统组成，上位机子系统主要负责数据显示、存储和与下位机子系统的通信；下位机子系统与电气设备一一对应，负责对该设备的电能数据采集、传输和与上位机子系统的通信，上位机子系统和下位机子系统之间通过Zigbee网络进行数据的传输。

2.根据权利要求1所述的基于Zigbee网络的电能信息采集系统，其特征在于，所述上位机子系统由计算机和第一Zigbee网络收发模块组成，计算机和第一Zigbee网络收发模块采用RS-232串口通信；下位机子系统由第二Zigbee网络收发模块、单片机模块、电能采集模块和电源模块组成，第二Zigbee网络收发模块、单片机模块、电能采集模块依次连接，第二Zigbee网络收发模块、单片机模块、电能采集模块都与电源模块连接。

3.根据权利要求2所述的基于Zigbee网络的电能信息采集系统，其特征在于，所述上位机子系统中的计算机负责电能数据的显示和存储，数据存储在txt文件、ACCESS数据库或SQL Server数据库中，用户根据数据量大小和数据存储速度选择存储方式；此外，数据同时以字符串和实时曲线两种方式进行显示。

4.根据权利要求1所述的基于Zigbee网络的电能信息采集系统，其特征在于，所述电能采集模块包括保险丝、电压互感器、电流互感器、第一电阻、第二电阻、第三分压电阻、第四分压电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八分压电阻、第九分压电阻、第十电阻、第一滤波电容、第二滤波电容、CS5463型芯片，保险丝与第一电阻串联，第三分压电阻与第四分压电阻串联，第二电阻与第五电阻并联，第七电阻与第十电阻并联，第一电阻、第二电阻、第三分压电阻、第四分压电阻、第五电阻都与电压互感器连接，第一电阻、第六电阻、第七电阻、第八分压电阻、第九分压电阻、第十电阻都与电流互感器连接，第三分压电阻与第四分压电阻串联，第八分压电阻与第九分压电阻串联，第二电阻、第五电阻、第七电阻、第十电阻、第一滤波电容、第二滤波电容都与CS5463型芯片连接。

5.一种基于Zigbee网络的电能信息采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，选择计算机和第一Zigbee网络收发模块的通信串口的串口号，建立两者串口通信连接，并存储该串口号以及第一Zigbee网络收发模块的Zigbee网络地址；

步骤二，选择下位机子系统，存储相应第二Zigbee网络收发模块的Zigbee网络地址，建立第一Zigbee网络收发模块2和第二Zigbee网络收发模块的Zigbee网络通信连接；

步骤三，计算机通过RS-232标准串口发出电能信息查询指令，第一Zigbee网络收发模块接收指定串口信息后，根据该电能信息查询指令，通过Zigbee网络向指定Zigbee网络地址的第二Zigbee网络收发模块发送查询指令；

步骤四，第二Zigbee网络收发模块读取该指令并发送至单片机，单片机接收电能采集模块的采集的电能信息，然后将该电能信息按电能查询指令传输的反方向传输给计算机。