CN105607535A - 一种基于CAN通信和ZigBee组网的智能电表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CAN通信和ZigBee组网的智能电表，包括计量模块和中央微处理器模块，计量模块通过电压传感器、电流传感器采集电压、电流信号，并计算出功率、频率、相位等电气参数，并存储在寄存器内；中央微处理器模块通过SPI接口按固定时间间隔不断读取计量模块的数据，并进行计算，存储，显示，发送；区域内智能电表经过CAN通信将单个智能电表的标识号、用电量信息发送至联网主机；区域间的联网主机经过ZigBee组网将区域的标识号、用电量信息发送至综合管理平台。本发明电表准确度高，接口灵活，提供安全可靠的电量传输网络接口，可推广使用。

Description

一种基于CAN通信和ZigBee组网的智能电表

技术领域

本发明涉及电能计量的技术领域，尤其是指一种基于CAN通信和ZigBee组网的智能电表。

背景技术

随着大规模工业化装置对自动化控制水平及安全运行要求的不断提高，促使智能电表在电力自动化领域中得到了更为广泛和大规模的应用。目前智能电表技术设计，尚处于初始阶段，在电气测量方面主要采用数字测量技术，代替基于电磁感应的传统模拟测量方式；在信号处理芯片方面，应用了单片机技术，例如51单片机或AVR技术；在测量电气量显示方面，采用了液晶显示，代替传统的转盘方式；在企业读表方面，采用了电量自动经过GPRS或TCP/IP技术上传电量，代替传统的人工抄表方式。目前，市场上的智能电表实现了传统电表的所有功能，并具有一定的智能性。但目前的智能电表尚属低端电表，具有一些局限性与不足。

首先，在电气测量方面，虽然采用了数字测量技术，但所采用的数模转换芯片测量精度不高，或直接应用单片机的内置数模转换功能。虽然基本满足了电量测量的要求，但无法满足智能家居、智能电器等智能技术的要求。新开发的智能家居需要更快速地采集更精确的数据。

其次，在信号处理芯片方面，虽然采用单片机技术，可以实现基本的电气功能，但由于51单片机或AVR技术的单片机功能简单，在进行一些更复杂的功能时，往往力不从心。因此，目前智能电表也存在一些ARM或DSP等高端处理芯片。

最后，在企业读表方面，虽然电量可以自己经过GPRS或TCP/IP技术上传电量数据，但该方式在GPRS或TCP/IP信号堵塞时，会影响到数据的传送，而且存在不安全的因素。同时随着楼宇自动化不断的发展，对于一个小区内一栋楼内的各层以及楼与楼之间电能之间的通信显得十分必要，目前智能电表在这一方面并未得到有效的解决，这对于电能的管理很不方便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种测量准确、接口灵活、基于CAN通信和ZigBee组网的智能电表。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于CAN通信和ZigBee组网的智能电表，包括：

计量模块，采用电能专用的计量芯片采样六路或八路信号量，并将电信号转化为数字量连同计算的电能基本量存储在其寄存器，再通过串行外设接口与中央微处理器模块进行数据传输；

中央微处理器模块，采用基于ARM结构的微处理器对电能专用的计量芯片数据进行读取处理，并进行计算、显示、通讯、控制的操作；该中央微处理器模块的具体架构主要包括基于ARM结构的微处理器、CAN通信接口、UART通信接口、SPI接口、显示屏、按键、指示灯；其中：

计量模块通过SPI接口与中央微处理器模块连接，并在设定的固定时间间隔内不间断地读取计量模块的寄存器中的三相电压电流、功率、相位、频率数据；

中央微处理器模块对SPI接口读取的数据进行计算功率、电量这些电气量，并经过按键控制在显示屏上显示；

中央微处理器模块对SPI接口读取三相电压电流、功率、相位、频率信息，并计算出每小时、每天、每月、每年的用电量，并储存在自己的EPROM内，可通过控制按键进行查看；

显示屏的界面有：数据显示界面和设置界面；在数据显示界面能够显示智能电表的运行状态，包括联网或脱机，CAN通信运行或关闭，显示三相或单相数据，以及三相电压、功率、总用电量信息；设置界面能够通过控制按键进行设置智能电表的运行、显示、通讯参数；

智能电表配置UART接口，通过按键打开UART功能后，能经过UART接口读取智能电表存储的三相电压电流、功率、相位、频率，及每小时、每天、每月、每年的用电量信息；

区域内的智能电表经过CAN总线连成网络，并在设定的固定时间间隔内向联网主机发送单个智能标识号、用电量信息；

区域间的联网主机经过ZigBee网络连接，并在设定的固定时间间隔内向综合管理平台发送区域标识号、用电量信息；

中央微处理器模块配置可反复充电的后备电源装置，在电网正常工作的时候，能给后备电源装置充电，在电网断电的时候，能给智能电表提供一个月的供电；

智能电表配有电能指示灯和通信状态指示灯；

所述微处理器加载ucos实时操作系统，并根据智能电表的功能创建了数据读取及计算、CAN通信、UART通信、ZigBee通信、显示、按键操作这些任务，主要任务的具体功能如下：

A)数据读取及计算任务：该任务将设置固定时间间隔，并不间断地从SPI接口中读取数据信息，并计算出用电量，以供通信或保存；

B)CAN通信任务：该任务将给单个智能电表分配唯一的标识号，并在固定的时间间隔内不间断地向联网主机发送信息；

C)UART通信任务：该任务经过按键设置后，通过UART接口给访问机器发送智能电表参数；

D)ZigBee通信任务：该任务将给单个联网主机分配唯一的标识号，并在固定的时间间隔内不间断地向综合管理平台发送信息；

E)显示任务：该任务经过按键设置后，能够显示智能电表运行状态、电气量信息。

所述计量模块主要包括电压传感器、电流传感器、电能专用的计量芯片；其中：

所述电压传感器能够将380V或220V内的配电电压按线性比例转为5V内的可测量信号量电压；

所述电流传感器能够将50A以内的用户电流按线性比例转为5V内的可测量信号量电压；

所述电能专用的计量芯片能够将电压传感器和电流传感器采集到的电压、电流信息，计算出三相功率、功率因数、电量信息，并经过SPI接口传送至中央微处理器模块，进行进一步的数据分析与传输。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

计量模块通过电压传感器、电流传感器采集电压、电流信号，并计算出功率、频率、相位等电气参数，并存储在寄存器内；中央微处理器模块通过SPI接口按固定时间间隔不断读取计量模块的数据，并进行计算，存储，显示，发送；区域内智能电表经过CAN通信将单个智能电表的标识号、用电量信息发送至联网主机；区域间的联网主机经过ZigBee组网将区域的标识号、用电量信息发送至综合管理平台。本发明电表准确度高，接口灵活，提供安全可靠的电量传输网络接口，可推广使用。

附图说明

图1为本发明所述智能电表的总体架构示意图。

图2为区域内CAN通信结构图。

图3为基于ZigBee的区域互联结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所述的基于CAN通信和ZigBee组网的智能电表，包括：

1)计量模块，采用了电能专用的计量芯片采样六路或八路信号量(三相三线电压电流或三相四线电压电流经过电压传感器、电流传感器后产生的信号量)，并将电信号转化为数字量连同计算的电能基本量存储在其寄存器，再通过串行外设接口(SerialPeripheralInterface：SPI)与中央微处理器模块进行数据传输。

所述计量模块的具体架构主要包括电压传感器、电流传感器、电能专用的计量芯片等元件。

所述电压传感器可将380V或220V内的配电电压按线性比例转为5V内的可测量信号量电压，有电阻分压器、电容分压器、电磁式电压互感器、电容式电压互感器、霍尔电压传感器等类型。本设计采用了霍尔电压传感器，具有精度高、线性好、响应速度快、频带宽等特点，在电压产生闪变、中断、暂升降等电能质量问题时，可以比较迅速地反应原信号的特征。

电流传感器可将50A以内的用户电流按线性比例转为5V内的可测量信号量电压，有分流器、电磁式电流互感器、电子式电流互感器等类型。本设计采用了霍尔电流传感器，具有精度高、线性好、响应速度快、频带宽等特点，在电流产生畸变、中断、暂升降等电能质量问题时，可以比较迅速地反应原信号的特征，精确地测量电网侧电流。

电能专用的计量芯片可将电压传感器和电流传感器采集到的电压、电流信息，计算出三相功率、功率因数、电量等信息，并经过SPI接口传送至中央微处理器模块，进行进一步的数据分析与传输。

计量模块的工作过程：三相三线或三相四线电路经过电压传感器、电流传感器转化为低电压测量信号，而低电压测量信号量在电能专用的计量芯片有效测量范围内。电能专用的计量芯片的模数转换(AD)模块将低电压测量信号量转换为数字量，而电能专用的计量芯片的集成数字信号处理电路则对已转换的数字量进行计算，得到各相电压、电流有效值、功率因素、相角、频率、有功功率、无功功率等电气量，并存储在寄存器内。中央微处理器模块可以通过SPI接口进行读取。

2)中央微处理器模块，采用了基于ARM结构的微处理器对电能专用的计量芯片数据进行读取处理，并进行计算、显示、通讯、控制等操作。该中央微处理器模块的具体架构主要包括基于ARM结构的微处理器、CAN通信接口、UART通信接口、SPI接口、显示屏、按键、指示灯等部分。其中：

计量模块通过SPI接口与中央微处理器模块连接，并在设定的固定时间间隔内不间断地读取计量模块的寄存器中的三相电压电流、功率、相位、频率等数据；

中央微处理器模块对SPI接口读取的数据进行计算功率、电量等电气量，并经过按键控制在显示屏上显示；

中央微处理器模块对SPI接口读取三相电压电流、功率、相位、频率等信息，并计算出每小时、每天、每月、每年的用电量，并储存在自己的EPROM内，可通过控制按键进行查看；

显示屏界面有：数据显示界面和设置界面。在数据显示界面，可以显示智能电表的运行状态，如联网或脱机，CAN通信运行或关闭，显示三相或单相数据等运行数据，以及三相电压、功率、总用电量等信息。设置界面可以通过四个控制按键进行设置智能电表的运行，显示，通讯等参数；

智能电表配置UART接口，通过按键打开UART功能后，可以经过UART接口读取智能电表存储的三相电压电流、功率、相位、频率，每小时，每天，每个月，每年的用电量等信息。

区域内的智能电表经过CAN总线连成网络，并在设定的固定时间间隔内向联网主机发送单个智能标识号、用电量等信息；

区域间的联网主机经过ZigBee网络连接，并在设定的固定时间间隔内向综合管理平台发送区域标识号、用电量等信息；

中央微处理器模块配置可反复充电的后备电源装置，在电网正常工作的时候，可给后备电源装置充电，在电网断电的时候，可给智能电表提供一个月的供电。

智能电表配有电能指示灯和通信状态指示灯。

所述微处理器加载ucos实时操作系统，并根据智能电表的功能创建了数据读取及计算、CAN通信、UART通信、ZigBee通信、显示、按键操作等任务，主要任务的具体功能如下：

A)数据读取及计算任务：该任务将设置固定时间间隔，并不间断地从SPI接口中读取数据信息，并计算出用电量等电气量，以供通信或保存。

B)CAN通信任务：该任务将给单个智能电表分配唯一的标识号，并在固定的时间间隔内不间断地向联网主机发送信息。

C)UART通信任务：该任务经过按键设置后，可通过UART接口给访问机器发送智能电表参数。

D)ZigBee通信任务：该任务将给单个联网主机分配唯一的标识号，并在固定的时间间隔内不间断地向综合管理平台发送信息。

E)显示任务：该任务经过按键设置后，可以显示智能电表运行状态、电气量等信息。

本发明设计采用了区域中智能电表经过CAN多主通讯的方法。CAN通信方式是国际流行的工业总线协议，是ISO国际标准化的串行通信协议。它具有高性能和可靠性，可以将可靠、高速地传送智能电表信息；连接总线简单(两条或三条)，可以极大地减少接线空间。其情况如下：

①在硬件方面，区域内的智能电表经过CAN总线连接在一起，如图2所示。

②在软件方面，ucos任务给每个智能电表分配唯一的标识号，并在固定时间间隔内不间断地向区域的联网主机传送智能电表的标识号、用电量等参数.

本发明设计采用了区域间的联网主机进行ZigBee无线通信的方式。Zigbee是一个由最多可达65000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，每一个Zigbee网络数传模块与智能电表相连接，在整个Zigbee网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离通过放大增益可扩展到最高1.6公里。每个区域内的联网主机通过接口转换器都连接有一个ZigBee模块，各个区域之间通过ZigBee互联，将数据发送至综合管理平台。其情况如下：

①在硬件方面，区域间的联网主机经过ZigBee模块连接在一起，如图3所示。

②在软件方面，ucos任务给每个联网主机分配唯一的标识号，并在固定时间间隔内不间断地向综合管理平台传送智能电表的标识号、用电量等参数。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于CAN通信和ZigBee组网的智能电表，其特征在于，包括：

计量模块，采用电能专用的计量芯片采样六路或八路信号量，并将电信号转化为数字量连同计算的电能基本量存储在其寄存器，再通过串行外设接口与中央微处理器模块进行数据传输；

中央微处理器模块，采用基于ARM结构的微处理器对电能专用的计量芯片数据进行读取处理，并进行计算、显示、通讯、控制的操作；该中央微处理器模块的具体架构主要包括基于ARM结构的微处理器、CAN通信接口、UART通信接口、SPI接口、显示屏、按键、指示灯；其中：

计量模块通过SPI接口与中央微处理器模块连接，并在设定的固定时间间隔内不间断地读取计量模块的寄存器中的三相电压电流、功率、相位、频率数据；

中央微处理器模块对SPI接口读取的数据进行计算功率、电量这些电气量，并经过按键控制在显示屏上显示；

中央微处理器模块对SPI接口读取三相电压电流、功率、相位、频率信息，并计算出每小时、每天、每月、每年的用电量，并储存在自己的EPROM内，可通过控制按键进行查看；

显示屏的界面有：数据显示界面和设置界面；在数据显示界面能够显示智能电表的运行状态，包括联网或脱机，CAN通信运行或关闭，显示三相或单相数据，以及三相电压、功率、总用电量信息；设置界面能够通过控制按键进行设置智能电表的运行、显示、通讯参数；

智能电表配置UART接口，通过按键打开UART功能后，能经过UART接口读取智能电表存储的三相电压电流、功率、相位、频率，及每小时、每天、每月、每年的用电量信息；

区域内的智能电表经过CAN总线连成网络，并在设定的固定时间间隔内向联网主机发送单个智能标识号、用电量信息；

区域间的联网主机经过ZigBee网络连接，并在设定的固定时间间隔内向综合管理平台发送区域标识号、用电量信息；

中央微处理器模块配置可反复充电的后备电源装置，在电网正常工作的时候，能给后备电源装置充电，在电网断电的时候，能给智能电表提供一个月的供电；

智能电表配有电能指示灯和通信状态指示灯；

所述微处理器加载ucos实时操作系统，并根据智能电表的功能创建了数据读取及计算、CAN通信、UART通信、ZigBee通信、显示、按键操作这些任务，主要任务的具体功能如下：

A)数据读取及计算任务：该任务将设置固定时间间隔，并不间断地从SPI接口中读取数据信息，并计算出用电量，以供通信或保存；

B)CAN通信任务：该任务将给单个智能电表分配唯一的标识号，并在固定的时间间隔内不间断地向联网主机发送信息；

C)UART通信任务：该任务经过按键设置后，通过UART接口给访问机器发送智能电表参数；

D)ZigBee通信任务：该任务将给单个联网主机分配唯一的标识号，并在固定的时间间隔内不间断地向综合管理平台发送信息；

E)显示任务：该任务经过按键设置后，能够显示智能电表运行状态、电气量信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于CAN通信和ZigBee组网的智能电表，其特征在于：所述计量模块主要包括电压传感器、电流传感器、电能专用的计量芯片；其中：

所述电压传感器能够将380V或220V内的配电电压按线性比例转为5V内的可测量信号量电压；

所述电流传感器能够将50A以内的用户电流按线性比例转为5V内的可测量信号量电压；

所述电能专用的计量芯片能够将电压传感器和电流传感器采集到的电压、电流信息，计算出三相功率、功率因数、电量信息，并经过SPI接口传送至中央微处理器模块，进行进一步的数据分析与传输。