CN106441444A - 一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点及数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点及数据传输方法，包括电能采集及环境感知节点模盒、远程服务器端和市电设备和用电设施，所述的电能采集及环境感知节点模盒安装在电力用户界区内的市电线路上，以及基于ZigBee数据传输方法；解决传统的方式为国内大多数家庭和企业安装使用的单相式电子式电能表计量，但其显示界面小，信息存储量也小，处理能力有限，可操作性差，只能读出用户每月的总用电量，用户无法对电能信息进行完整的分析等缺点的问题。

Description

一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点及数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种电能采集及环境感知节点及数据传输方法，尤其涉及一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点及数据传输方法,属于电能质量监测领域。

背景技术

随着社会经济快速发展，电力需求量持续增加，而电力供需形势却持续紧张，用电形势十分严峻。为此，根据我国国情，电力行业制定了坚强智能电网发展规划。随着智能电网的发展，为了更好的服务用户，需要提供更加精确和实时的电能能耗监测。节点实物设计成插座形式，完成了对用户侧电能的实时监测。系统精度高、稳定性好，为用户选择用电行为提供一个有利的参考。

目前，电监测设备往往只能记录总用电量，并不能掌握用电设备实时的用电情况。传统的方式为国内大多数家庭和企业安装使用的单相式电子式电能表计量，但其显示界面小，信息存储量也小，处理能力有限，可操作性差，只能读出用户每月的总用电量，用户无法对电能信息进行完整的分析等缺点，无法为供电部门提供用电分析与预测的数据依据，不能在电量用度控制、供电单位与用户的交互等方面提供便利，无法满足日益发展的社会用电需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点及数据传输方法，利用一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点及数据传输方法解决传统的方式为国内大多数家庭和企业安装使用的单相式电子式电能表计量，但其显示界面小，信息存储量也小，处理能力有限，可操作性差，只能读出用户每月的总用电量，用户无法对电能信息进行完整的分析等缺点，无法为供电部门提供用电分析与预测的数据依据，不能在电量用度控制、供电单位与用户的交互等方面提供便利，无法满足日益发展的社会用电需求的问题。

本发明采用的技术方案为一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点，包括电能采集及环境感知节点模盒、远程服务器端和市电设备和用电设施，所述的电能采集及环境感知节点模盒安装在电力用户界区内的市电线路上。

所述的电能采集及环境感知节点模盒外壳为插座结构，电能采集及环境感知节点模盒外壳还包括连接市电的插头和连接电器用的插口

所述的电路板包括电能采集电路板和TelosB电路板，电能采集模板与TelosB电路板连接。

所述的电能采集模块上集成电能计量模块和电源模块，电能计量模块与用户负载连接；电源模块通过感应线圈给电能采集模块供电，所述的电能采集模块输出信号连接到电能计量模块，电能计量模块的电源由电源模块提供。

所述的TelosB电路板上集成MCU、温湿光测量模块、无线收发模块和串口调试模块，所述的MCU分别和温湿光测量模块、电能计量模块、无线收发模块、串口调试模块连接，MCU电源由电源模块提供。

其数据传输方法为：电能采集及环境感知节点通电后，先对节点进行初始化。接下来通过设定周期定时器以使节点周期性地读取温度、湿度、光照和采集电能信息；同时开启天线，无线收发模块接收子节点数据包以及将数据包发送至父节点，采用CTP协议组网，以广播方式传送；数据包在无线传感器网络中经过一跳或者多跳到达汇聚节点，远程服务器端通过汇聚节点接收这些信息，并最后存储到远程服务器终端。

利用本发明的技术方案，只需将节点模盒插入带电的电源插口，模盒内的电源模块就把市电转化为直流电，为电能计量模块供电，电能计量模块负责采集用电器的电压、电流、有功功率和用电量四组数据，采用ZigBee的方式将数据从模盒内的无线发送模块发送到远程服务器端，即可实现对用电用户的电压、电流、有功功率和用电量四组数据准确采集和实时发送，只需通过服务器端的监测系统就可实时采集用户的用电状况，并对所有采集到的信息进行综合分析。

本发明的电能采集及环境感知节点模盒外壳为插座结构，电能采集及环境感知节点模盒外壳还包括连接市电的插头和连接电器用的插口，便于设备的安装和使用，体积小，易维护。

本发明的电路板包括电能采集电路板和TelosB电路板，电能采集模板与TelosB电路板连接，大大减小了模块单独布置的空间，使得模盒所需的体积更小，更易安装。

本发明的电能采集模块上集成电能计量模块和电源模块，电能计量模块与用户负载连接；电源模块通过感应线圈给电能采集模块供电，所述的电能采集模块输出信号连接到电能计量模块，电能计量模块的电源由电源模块提供，大大减小了模块单独布置的空间，使得模盒所需的体积更小，更易安装。

本发明的TelosB电路板上集成MCU、温湿光测量模块、无线收发模块和串口调试模块，所述的MCU分别和温湿光测量模块、电能计量模块、无线收发模块、串口调试模块连接，MCU电源由电源模块提供，大大减小了模块单独布置的空间，使得模盒所需的体积更小，更易安装。

其数据传输方法为：电能采集及环境感知节点通电后，先对节点进行初始化。接下来通过设定周期定时器以使节点周期性地读取温度、湿度、光照和采集电能信息；同时开启天线，无线收发模块接收子节点数据包以及将数据包发送至父节点，采用CTP协议组网，以广播方式传送；数据包在无线传感器网络中经过一跳或者多跳到达汇聚节点，远程服务器端通过汇聚节点接收这些信息，并最后存储到远程服务器终端，通过这种传输方式，采用ZigBee协议组网通讯，与其他通讯协议相比，具有高安全性、低功耗、组网能力强等优点，实现多个设备联动运作。

综上所述，利用一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点及数据传输方法可以解决传统方式为国内大多数家庭和企业安装使用的单相式电子式电能表计量，但其显示界面小，信息存储量也小，处理能力有限，可操作性差，只能读出用户每月的总用电量，用户无法对电能信息进行完整的分析等缺点，无法为供电部门提供用电分析与预测的数据依据，不能在电量用度控制、供电单位与用户的交互等方面提供便利，无法满足日益发展的社会用电需求的问题。

附图说明

图1为本发明系统示意图图；

图2为本发明外观正视图；

图3为本发明外观侧视图；

图4为基于ZigBee数据传输的主程序流程图。

具体实施方式

下面对发明进行进一步介绍。

如图1～4所示，一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点，包括电能采集及环境感知节点模盒、远程服务器端和市电设备和用电设施，电能采集及环境感知节点模盒安装在电力用户界区内的市电线路上。

电能采集及环境感知节点模盒外壳为插座结构，电能采集及环境感知节点模盒外壳还包括连接市电的插头和连接电器用的插口

TelosB电路板上集成MCU、温湿光测量模块、无线收发模块和串口调试模块，所述的MCU分别和温湿光测量模块、电能计量模块、无线收发模块、串口调试模块连接，MCU电源由电源模块提供。将电源模块将市电输入转换为直流电输出，用电器与电能采集模块连接，电能采集模块与电能计量模块的正、负模拟输入引脚连接，电能计量模块与电源模块的输出端连接，MCU与电源模块的输出端连接，电能计量模块的异步通信端口和MCU连接，温湿光测量模块的输出端与MCU连接，无线发收模块的输入端与MCU连接，串口调试模块的输出端与MCU连接。

本发明的模盒可采用金属模盒或塑料模盒，模盒外观可为方形，也可为圆形以及其它任何外形，本实施例采用塑料外壳，外形采用方形外盒。

本发明采用的电源模块(集成在电能采集电路板上)为基于ZigBee的电能及环境信息采集节点主要是面向室内用电器，做成插座的样式，因此设计利用AC 220V/50HZ交流供电。硬件电路中电源模块需要输出DC3.3V，DC5V。电流通过变压器变压和二极管整流后，进入7805三端稳压集成电路，输出直流5V，再经过SP1117-3.3三端稳压芯片提供直流3.3V。

本发明采用的电能采集模块和计量模块(集成在电能采集电路板上)采用电能计量芯片RN8209G，它是深圳锐能微科技有限公司生产的一款能够测量有功功率、有功能量，并能同时提供电流有效值、电压有效值、频率、过零中断等的芯片。

RN8209G功耗很低，典型值为32mW。使用DC 5V电源供电，内部包含有电源监测电路，当电源电压低于4V±0.1V时芯片被复位，当电源电压高于4.3V±0.1V时芯片正常工作。内部电源监控电路的作用是保证上电和断电时，芯片的可靠工作。在正常工作时，电源电压波动不应该超过±0.3V。

RN8209G提供两路电流和一路电压有效值测量，包括三路ADC，分别用来对相线电流、零线电流和电压进行采样。测量误差很小：电流和电压在400:1动态范围内，有效值误差<0.5％，有功电能和无功电能误差在1500:1范围内<0.1％。

RN8209G使用UART通用异步串行口与微控制器MCU通信，TX发送，RX接收。支持全数字的增益、相位和offset校正。有功、无功电能脉冲分别从PF、QF管脚输出。

MCU通过UART串口对计量芯片进行配置与校正。UART接口的特点是工作在从模式、半双工通讯、9位UART(含偶校验位)，帧结构包含校验和字节。其通讯帧格式由CMD(命令字节)+DATA(数据字节)+CKSM(校验和字节)组成。

芯片通过硬件管脚B1和B0配置波特率，有四种波特率可供选择，通过对无线传输速率等的综合考虑，本发明配置的波特率为9600bps。

本发明的温湿光传感器(集成在TelosB电路板上)是采集系统的重要组成部分。本发明中TelosB节点采用的传感器是Sensirion公司生产的SHT11温度湿度一体芯片，具有免调试、免标定、提供数字输出、良好的一致性等优点，适用于本发明系统。芯片的工作电压为2.4～5.5V。SHT11测量的温度范围为-40℃～+120℃，相对湿度范围在0～100％RH。测量数据以数字形式输出。温度测量分辨率为0.01℃，精度为±0.4℃。湿度的测量受温度影响，当温度为25℃时，湿度测量分辨率可以达0.05％RH，精度为±3.0％RH。SHT11的内部包含了一个对温度敏感的部件和一个对湿度敏感的部件。温敏部件是由能隙材料制作的，而湿敏部件由是电容性聚合体制作。这两个部件与一个串行接口电路和一个ADC集成在一个芯片上。

本发明所采用的TelosB节点，在实现温度湿度实时采集的功能的基础上，还通过采用光传感器S1087和S1087-01，实现了对可见光和红外光的采集。它们是一种陶瓷包装的光电测量计，其输出为标准电流信号，陶瓷封装可用于光密封，背光和侧光不能到达测量活动区，从而可准确的进行可见光和红外光的信号测量。

由于从传感器输出的是标准电流信号，而A/D转换基准为电压，所以，采集电路通过100kΩ负载电阻，将传感器输出的电流信号转换为电压信号，然后再把该电压信号送入MCU的片内ADC12模块进行转换。

本发明采用的MCU(集成在TelosB电路板上)主要作用是对传感器采集并传递过来的数据进行接收和处理，并在处理完成之后将结果传输给无线模块，由无线模块向外分发。此外，MCU还可以根据无线模块接收到的控制数据包，解析其中的控制指令，并根据指令对其他硬件进行操作。

本发明选定的MCU是TI公司发布的MSP430F1611。该产品的特点是低功耗，能够在1.8V～3.6V的电压环境中工作，并允许在低电压环境下持续运行，经测量，在仅由RAM进行数据暂存的情况下，该产品耗电为0.2μA。其中48KB FLASH存储器可以支持在线编程和仿真，并具有较强的处理能力和丰富的片内外设。

MCU片内的A/D通道用作模拟量采集。而I/O口则用作对数字量的采集。对于串口通信，该产品使用UART实现。同时，该单片机使用32KHz的时钟信号，依赖晶体振荡器来对系统时钟进行实现。为避免电源产生的输入杂波对信号产生影响，单片机在电源部分增加了滤波电容来对该杂波进行过滤，清除干扰。

本发明采用的无线收发模块(集成在TelosB电路板上)的无线传感器网络节点之间需要完成包的收与发。因此其内部需要同时存在收包与发包模块。关键在于将来自MCU的比特流(字节序列或帧)转换为无线电波。在实际应用中，通常采用一种名为无线收发机(Transceivers)的设备实现收发业务。该设备同时具备收报和发报的功能。通常，在无线信道上同时进行发送和接收是不现实的(接收机只能侦听自身的发送)，所以我们采用的是半双工通信。

本发明采用Chipcon公司生产的CC2420的芯片作为无线收发机。该芯片兼容2.4GHz IEEE 802.15.4。其内部集成了压控振荡器，运行功耗极低，只需提供外部天线以及16MHz晶振等必需电路，就可以直接工作。CC2420采用O-QPSK调制方式，其能耗极低，灵敏度可达到-94dBm，且具有超强的抗干扰能力，能够有效抵抗相邻信道信号对本信道信号的干扰。该产品的通信性能能够使数据可靠性和有效性得到很好的保障。与此同时，该芯片所支持的数据传输速率比较高，采用该芯片的解决方案无线数据传输速率能够达到250kbps。该特性对多点快速无线组网十分有利。

该芯片能够以低至1.8V的电压工作，为和外部逻辑元件保持一致和兼容，外部数字采集口采用了3.3V的工作电压。该芯片在片内通过集成的直流稳压器完成不同模块不同电压之间的转换。这样对于只有3.3V电源的设备，不需要额外的电压转换电路就能正常工作。

CC2420引脚为低电平，则表示该芯片接收到了SFD字节。该芯片将接收到硬件帧数据存放在128K的先进先出缓存队列中，同时由相关硬件完成对该数据的CRC校验。CC2420的FIFO缓存区保存MAC帧的长度、MAC帧头和MAC帧负载三个部分，而不保存帧校验码。CC2420发送数据时，数据帧的前导序列、帧开始分隔符、以及帧检验序列由硬件产生；接收数据时，这些部分只用于进行帧同步和CRC校验，而不会被保存到接收FIFO缓存区。

本发明采用的串口通信模块(集成在TelosB电路板上)为基于ZigBee的电能及环境信息采集节点中的串口通信模块的作用是实现PC与节点之间的交互。利用串口通信模块，PC可以将软件导入节点中，并可以将各节点数据进行提取与导出。

串口模块采用的是FTDI的FT232RL芯片。该芯片实现了USB和RS232\RS422\RS485双向转换。它可将节点接收到的数据通过USB提传输给PC进行处理。该流程由固化在芯片中的算法实现，系统开发者无需对实现细节进行设计。

串口通信模块的TXD和RXD管脚分别用来发送和接收异步数据。DTR#输出数据终端就绪控制信号；DSR#输入数据设置就绪控制信号。RTS#负责将请求输出并传出控制信号；CTS#负责对控制信号的重置和清零。DCD#负责为数据载波探测的控制信号提供输入。RI#用于输入响铃指示控制信号。一旦EEPROM中远程唤醒选项激活，RI#管脚接受的信号可以变为低电平，此时系统可以主动将USB主控制器从暂停状态中复原。MCP1700T为一线性稳压器，负责提供USB接口电压从5V到3.3v转换的功能，将其供给FT232RL的VCCIO管脚。

将上述硬件及模块按照本发明的技术方案做好连接和安装后即可对软件部分进行设计，这部分主要涉及了在搭好硬件电路的情况下，如何通过配置软件程序，实现温湿度、光照和电能数据的采集和传输。如前文所提到的，本发明软件部分在TinyOS环境下采用NesC语言开发。

其ZigBee的数据传输方法为电能采集及环境感知节点通电后，先对节点进行初始化。接下来通过设定周期定时器以使节点周期性地读取温度、湿度、光照和采集电能信息；同时开启天线，无线收发模块接收子节点数据包以及将数据包发送至父节点，采用CTP协议组网，以广播方式传送；数据包在无线传感器网络中经过一跳或者多跳到达汇聚节点，远程服务器端通过汇聚节

点接收这些信息，并最后存储到远程服务器终端，供后期显示或查阅。

程序设计中，为保证数据采集的实时性和简化程序，采用多线程并发模式，在具体操作中，使用多个定时器分别实现对各物理量的采集。

节点接收的数据存储在系统数据库中。采用关系型数据库存储，包含节点位置信息表、路由表、数据表和工作日志表：

节点位置信息表记录节点插座所在单位(小区)、楼层、房间等位置信息。设计的节点位置信息表，键包括：节点ID、楼名、房间号、经度、纬度、高度。插座是固定的，这张表确定后在一段时间内不会改变。

路由表必不可少，有时需要确切知道数据传输的路径。键包括：节点ID、父节点ID，跳数、路径。随时间推移，路由表可能有变动。

数据表是主表，用来记录节点所采集的历史数据，是一个数据不断增加的表，包含时间、节点ID、温度、湿度、光照、电压、电流、有功功率、用电量共9个键。设置时间(年月日时分秒)和节点ID为联合主键。

工作日志表，用来记录节点发生的动作事件，包括时间、节点ID、动作描述、备注4个键。

在完成软件的设计和设置后，即可将设备安装在用户的用电线路上，然后插上用电负荷，即可开始进行数据采集和传输。最终数据采集和传输到远程的服务器。

Claims (6)

1.一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点，包括电能采集及环境感知节点模盒、远程服务器端、市电设备和用电设施，其特征在于：所述的电能采集及环境感知节点模盒安装在电力用户界区内的市电线路上。

2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点，其特征在于：所述的电能采集及环境感知节点模盒外壳为插座结构，电能采集及环境感知节点模盒外壳还包括连接市电的插头和连接电器用的插口；电路板安装在电能采集及环境感知节点模盒内部。

3.根据权利要求2所述的一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点，其特征在于：所述的电路板包括电能采集电路板和TelosB电路板，电能采集模板与TelosB电路板连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点，其特征在于：所述的电能采集模块上集成电能计量模块和电源模块，电能计量模块与用户负载连接；电源模块通过感应线圈给电能采集模块供电，所述的电能采集模块输出信号连接到电能计量模块，电能计量模块的电源由电源模块提供。

5.根据权利要求3所述的一种基于ZigBee的电能采集及环境感知节点，其特征在于：所述的TelosB电路板上集成MCU、温湿光测量模块、无线收发模块和串口调试模块，所述的MCU分别和温湿光测量模块、电能计量模块、无线收发模块、串口调试模块连接，MCU电源由电源模块提供。

6.一种基于ZigBee的数据传输方法，其特征在于：所述的电能采集及环境感知节点通电后，先对节点进行初始化，然后通过设定周期定时器使节点周期性读取温度、湿度、光照和采集电能信息；同时开启天线，无线收发模块接收子节点数据包以及将数据包发送至父节点，采用CTP协议组网，以广播方式传送；数据包在无线传感器网络中经过一跳或者多跳到达汇聚节点，远程服务器端通过汇聚节点接收这些信息，并最后存储到远程服务器终端。