CN114899941A - 一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，涉及无线物联网通信领域。本发明是为了解决现有组网技术的能耗高，用户信息采集困难的问题。本发明所述的一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，利用Zigbee无线通信技术的低能耗特点，将Zigbee同电力物联网进行连接，对于一个吞吐量大、全天候和时间相对集中的电力物联网系统而言，能够将电力系统用户采集系统的功耗最大程度地降低。同时，本发明利用STM32单片机，该单片机所形成的控制中心易于实现，而且稳定性高。采用OneNET云平台稳定、快速和高效的下达指令。将其应用于电力物联网系统，可以调高系统的信号稳定性。
Description
技术领域
本发明属于无线物联网通信领域。
背景技术
工业物联网随着现代5G通信的发展已经不再是一个仅仅存在于设计图纸上的设想，利用现代的无线通信技术将工业生产过程中的各个流程连接起来对于未来提升整个工业体系的运行效率具有深远的意义。在工业生产的各个环节中，用户信息采集系统往往被人们忽视但它对于提高能源分配合理性这一点有着很大的影响。
将电力系统的用户采集模块接入无线通信确实可以提高能源分配的效率和合理性，但是随之而来的巨大的能源消耗却不能被忽视。因此，如何通过先进的组网技术来降低这种前沿设计带来的过高的能耗成为了工程师和科学家研究的重点。
现有电力系统的特点是：
1、用户量大；
2、用电时间集中；
3、用户用电信息难以采集。
为了满足电力系统这些特点，电力系统的无线物联网在组网时需要对能耗这一问题展开深入的讨论。
发明内容
本发明是为了解决现有组网技术的能耗高，用户信息采集困难的问题，现提供一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统。
一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，包括m个用电信息采集端和Zigbee无线通信网络，
用电信息采集端用于采集用户的用电信息，并将用电信息发送至Zigbee无线通信网络中，
Zigbee无线通信网络包括协调器、多条信息传输链和m个用户终端，每条信息传输链包括多个串联的路由器，信息传输链的一个端部路由器与协调器相连，每个路由器均与k个用户终端相连，m个用户终端分别与m个用电信息采集端分别一一对应，
其中m和k均为大于等于1的正整数且k<m，
用户终端用于接收与其对应的用电信息采集端发送的用电信息，并通过与其相连的路由器将其接收到的用电信息发送至协调器，协调器用于将其接收到的用电信息发送至STM32控制台。
进一步的，上述一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统还包括STM32控制台，STM32控制台用于接收协调器发送的用电信息、并对该用电信息进行分类，之后将分好类的用电信息发送至服务总站。
进一步的，上述一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统还包括服务总站，服务总站用于接收STM32控制台发送的用电信息，并对该用电信息进行分析。
进一步的，上述用户的用电信息包括：用电量、电费余额、电费缴纳明细和用电异常警报。
进一步的，上述Zigbee无线通信网络通过低能耗的方式将用电信息发送至STM32控制台。
进一步的，上述STM32控制台为STM32芯片，STM32芯片为STM32F103单片机。
进一步的，上述服务总站为OneNET云处理平台。
进一步的，上述服务总站通过无线方式与用户端的手机APP实现信息传输。
进一步的，上述无线方式为移动互联网。
进一步的，上述服务总站将用户的用电信息接入移动互联网。
本发明所述的一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，利用Zigbee无线通信技术的低能耗特点，将Zigbee同电力物联网进行连接，对于一个吞吐量大、全天候和时间相对集中的电力物联网系统而言，能够将电力系统用户采集系统的功耗最大程度地降低。同时，本发明利用STM32单片机，该单片机所形成的控制中心易于实现，而且稳定性高。采用OneNET云平台稳定、快速和高效的下达指令。将其应用于电力物联网系统，可以调高系统的信号稳定性。
综上所述，本发明所采用的核心通信技术为Zigbee无线通信技术，通过这一通信技术进行无线通信的组网工作可以保证在大数据量的通信中保证功耗的稳定。Zigbee的功耗低、安全性高和兼容性好等特点可以在电力物联网系统中得到充分的发挥。
同时，本发明利用STM32单片机作为控制平台和中心，对于用户的用电信息进行处理和分析工作。STM32单片机的引入将会极大的丰富本发明所涉及的用户用电信息采集系统的功能。
最后，本发明采用OneNET物联网云平台作为用户的交互平台，这使得本发明所涉及的用户用电信息采集系统不仅仅可以满足电力公司对于用户用电信息的采集和一个区域用电量的分析综合这些要求，而且可以搭建一个与用户产生连接的平台，用户可以通过自己的手机实时的监测自己的用电量和用电信息，令电力系统的运行更加高效和快速。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统总体结构框图；
图2为本发明中Zigbee无线通信网络的组网图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
5G时代的到来催生出很多新的工业模式。过去传统的电表，电卡等用户用电信息采集的方法效率很低，无法适应现阶段的工业生产效率。本发明目的是在利用5G移动通信这一工具开发出效率高、速度快和稳定性高的用户用电信息采集系统。与其他物联网系统相比，电力系统具有用户多、使用时间相对集中和全天候等特点，这就需要电力系统所采用的用户用电信息采集系统和物联网系统有很好的鲁棒性。Zigbee技术是一项新型的无线通信技术，适用于传输范围短数据传输速率低的一种电子元器件设备之间。Zigbee无线通信技术可于数以千计的微小传感器相互间，依托专门的无线电标准达成相互协调通信。这种通信技术的特点是：能耗低、研发成本低和安全可靠性高。Zigbee无线通信技术对于电力系统来说非常适用。
综上，本实施方式将Zigbee无线通信技术与电力物联网进行连接。同时，Zigbee技术协议设置了MAC层、堆栈层、网络层、应用层这四个逻辑分级，这四个逻辑分级是根据具体需要实现的功能来划分的。Zigbee为各个系统设备提供了运行的环境和框架，在这个应用框架内，组网的各个设备可以在良好的活动环境下工作和协调。此外，通过Zigbee内部搭建的应用框架，Zigbee还支持各个设备使用MSG和KVP这两种规范定义的特殊数据传输机制，这使得网络系统内部的数据传输更加便捷可靠。
具体手段如下：
参照图1和2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，包括m个用电信息采集端、Zigbee无线通信网络、STM32控制台和服务总站。
用电信息采集端用于采集用户的用电信息，用户的用电信息包括：用电量、电费余额、电费缴纳明细和用电异常警报。之后将用电信息发送至Zigbee无线通信网络中。
Zigbee无线通信网络采用树形结构，采用去中心化组网，具体的，包括协调器、多条信息传输链和m个用户终端，每条信息传输链包括多个串联的路由器，信息传输链的一个端部路由器与协调器相连，每个路由器均与k个用户终端相连，m个用户终端分别与m个用电信息采集端分别一一对应，其中m和k均为大于等于1的正整数且k<m。
用户终端用于接收与其对应的用电信息采集端发送的用电信息，并通过与其相连的路由器将其接收到的用电信息发送至协调器，Zigbee无线通信网络中的协调器通过低能耗的方式将用电信息发送至STM32控制台。
STM32控制台为STM32芯片，STM32芯片为STM32F103单片机。STM32控制台用于接收协调器发送的用电信息、并对该用电信息进行分类，之后将分好类的用电信息发送至服务总站。
服务总站为OneNET云处理平台，用于接收STM32控制台发送的用电信息，并对该用电信息进行分析。OneNET云处理平台能够准确高效地下达指令和处理用户的信息。
在本实施方式的方案中，具体操作如下：
第一步：用户用电信息的采集。
每个地区的各个小区和用电单位设置一个集中统一收集信息的基站，将小区或其他用电单位的用户用电信息进行收集整理。
每个地区的各个小区和用电单位设置一个集中统一收集信息的基站，将小区或其他用电单位的用户用电信息进行收集整理，这些信息为用户用电量、电费余额、用户电费缴纳情况和用电异常警报等。以上这四种信息通过安装在各个小区的中继去收集。每家每户的用电信息则由已经安装的电表进行收集。相对于传统的电表，本实施方式能够接入移动互联网和手机App，用户可以实时监测到自己的用电情况。
第二步：用户用电信息进入Zigbee无线通信网络。
经过上一步的用户用电信息采集和整理后，能够将用户的用电信息传入下一级的Zigbee无线通信网络。在Zigbee无线通信网络中，利用树形结构对Zigbee无线通信系统进行组网，这种方法可以兼顾系统稳定性和低能耗两个方面，十分有利于电力物联网系统。Zigbee网络中包括若干协调器、路由器和用户终端。对于Zigbee无线通信网络，每一个用户终端都对应上一级中的集中统一采集信息的基站，它将各个基站的信息收集起来经过几个基站共同连接的路由器向前传播，协调器将各个用户终端收集的信息传到下一级的STM32控制中心进行处理。
第三步：STM32控制中心进行数据处理。
经由Zigbee无线通信网络的信息传入STM32控制中心，STM32控制中心由一个STM32F103单片机组成。单片机将汇总来的信息分门别类并将各种信息传入下一级的OneNET处理平台。OneNET云处理平台下达指令和信息的分析处理。
经由Zigbee无线通信网络的信息传入STM32控制中心，STM32控制中心由一个STM32F103单片机组成。单片机将汇总来的信息分门别类并将各种信息传入下一级的OneNET处理平台。OneNET云处理平台下达指令和信息的分析处理。本实施方式最终使用STM32芯片来设计硬件电路和对应的控制程序系统，STM32基于ARM公司开发的Cortex-M高性能芯片作为内置核心的32为微电路控制器。同时，为了对采集到的用户用电信息数据进行上传、存储、访问、调用等操作，最终实现对用电信息进行判断处理的目的。本实施方式采用的是OneNET物联网云平台来实现。这个平台可以允许用户通过OneNET平台将电力系统的用电信息接入互联网，完成相关基于物联网云平台产品的技术的开发。通过对STM32单片机进行编程，使它对收集上来的用户用电信息进行分析和整理。STM32控制中心所具备的功能为：单户和小区用电总量的求和、电费缴纳情况的分户传输、远程向供电系统接发指令和用电异常的警报等。例如：当某一户的用电量在某一个时间点出现异常的增长时，STM32单片机会向OneNET物联网云平台发出异常信号，由OneNET进行分析并向该用户发送警报信号，提醒该用户异常的用电状况。实现用户对本户用电情况的实时监控。
具体实施例
如图1所示，每个区域内用户的用电信息由设置在小区内用户处的电表进行采集，首先汇总到每个小区的用电信息采集端中进行存储。
用户信息经过系统处理分类存储为以上几类。该系统除了对用户用电信息进行采集和分类处理之外，还准备接收从下一级传回的指令。用户信息经过分类处理和存储后传入下一级的Zigbee物联网系统中，Zigbee物联网中各个用户终端收集到的信息经过路由器传至协调器，并由协调器传至下一级。经由Zigbee网络的信息首先传至STM32控制中心，STM32控制中心对采集上来的信息进行分析和处理。最后将处理的结果传至服务器总站，服务器总站根据获得的信息和处理结果下达相应的指令。
如图2所示，该图为Zigbee网络的结构图。如图所示，该网络采用的是树形分布的结构，与星形结构和网状结构不同，树形结构中存在多个路由器，它们平时互相不相统属，其中任何一个路由器产生故障都不会造成整个系统的瘫痪。与此同时，该结构相对于网状结构相对简单，易于设计和优化。
将Zigbee无线通信技术与电力系统结合使得电力物联网系统的能耗降低、效率提高。利用Zigbee这一先进的无线通信技术将电力系统和无线通信系统相连接，将电力物联网的能耗降到最低。利用STM32芯片作为处理器终端，用户的用电信息可以得到汇总和统一处理。
Zigbee技术是一项新型的无线通信技术，适用于传输范围短数据传输速率低的一种电子元器件设备之间。Zigbee在IEEE802.15.4标准的基础上已建立起一套符合自身特征的技术体系，包括物理层、网络层以及应用层。相较于现在应用的比较多的其他的无线组网技术，Zigbee无线通信技术具有很多竞争优势，其中包括：
1、网络系统的兼容性很好，可以允许不同网络体系接入Zigbee。在Zigbee中构建的局域网物理层的MAC地址优先采取了CSMA/CA，这种机制可以有效地避免冲突，这就令Zigbee与现有的通信协议可以做到更好的兼容和继承。现有的通信组网技术例如Wifi、蓝牙等，不需要进行很复杂的操作就可以非常方便地与Zigbee无线通信网络进行连接。除此之外，在可靠性和稳定性上，Zigbee无线通信技术也可以有很充分的保证，同时也可以使用协调器来实现与其他网络的有效交互与协调。
2、在Zigbee中传输数据可以保证数据的安全可靠。对于目前现有的无线通信技术存在的安全防护形式简单而且形式单一的问题，Zigbee无线通信技术采用了差异化的设计理念，为用户提供多种不同保护等级的安全措施，这些保护措施具体包括禁用防火墙模式、对已添加的访问源开放避免非法窃取、篡改用户信息模式和1级加密防火墙的对称密码检查模式。通过这些手段，Zigbee无线通信技术可以根据用户的实际需要灵活设置安全保护等级。另外，这种通信技术在抗电磁干扰这方面表现优秀，在通信环境中电磁波扰动几乎不会对Zigbee的网络体系造成很严重的干扰。Zigbee无线通信技术具有数据传输可靠和数据传输安全性能高的优点。
3、Zigbee无线通信网络中具有较短的时间延迟。与其他常见的通信技术相比，Zigbee无线通信技术具有启动速度快和反应速度快等特点。在通常的情况下，Zigbee无线通信技术仅仅需要15ms就可以实现从休眠状态到激活状态的转换，40ms就可以令Zigbee中的各个节点完全进入工作状态。从这里可以看出Zigbee无线通信网络整体传输和反应时间很短。
4、Zigbee无线通信网络具有很强的功能扩展性。Zigbee无线通信具有开源的开发技术和应用生态体系，开发者可以通过利用网状的网络拓扑结构进行无线通信组网的设计工作，同时结合自由选择路由、动态快速组网等技术方案，对于基本的工业自动化控制、智能家居、现代化办公这些实际的需求，都是可以满足的。本发明的系统也根据这一机制可以有效拓展节点的相关功能，也可以积极使用信息技术和设备的快速革新。
5、Zigbee无线通信技术在功耗方面有很好的表现。在低耗电的休眠状态下，保持稳定平稳的外界环境状态，仅采用两枚普通的五号干电池就可以确保一个节点稳定工作18-30个月。Zigbee尤其在进入睡眠状态后可以保持一个非常低的功耗进行数据的收发，瞬时数据收发工作时间也比较短，耗电很少，可以长时间不更换电池工作，这一优点可以极大提升电力物联网的使用时间，在电力物联网系统中也有很大的应用方面的优势。
除此之外，Zigbee通信组网技术还具有传输速率较低和信号覆盖有效半径小这些不利的特点。Zigbee主要工作在250kbps的传输速率下，之一传输速率可以满足低速率数据传输的实际需要，实验证明，Zigbee可以充分满足绝大多数的应用场景，对于电力物联网系统尤其适合。Zigbee无线通信技术可于数以千计的微小传感器相互间，依托专门的无线电标准达成相互协调通信。这种通信技术的特点是：能耗低、研发成本低和安全可靠性高。Zigbee无线通信技术对于电力系统来说非常适用。
本发明还应用了STM32单片机控制平台。STM32基于ARM公司开发的Cortex-M高性能芯片为内置核心的32位微电路控制器。STM32单片机目前是一种较为成熟且实用的无线通信系统控制平台，性能可以满足基本的无线通信的需要。它具有价格低、外设多且先进、型号众多、功耗控制功能强大开发费用较低等有点，这些优点可以完美契合电力物联网系统。
OneNET云平台支持使用者直接通过这一平台将设备接入互联网，完成相关基于物联网云平台产品的技术开发，为智能硬件等系列产品的开发与应用提供物联网接口与解决方法。另外，作为一款开放式的开源物联网云平台产品，OneNET云平台非常适用于电力物联网系统的应用。对于操作者来说，OneNET云平台的操作界面简便人性化，操作简洁便利，可以实现用户对于产品个性化功能定制的需求，与谷歌开发的Android和苹果公司的IOS平台都有很好的兼容性。这一优点可以在未来电力系统中，用户实时监控自己的用电信息、数据上传、生成具体应用和缴纳电费方面发挥巨大的功能。目前，OneNET物联网云平台已经在工业、商业、农业等领域有了广泛应用，具体在生态环境实时监测、家居生活用品、新型电字设备、智慧交通、产业升级与调整、工业生产自动化、交易物流信息保障等许多新兴的领域得到广泛的应用。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (10)
1.一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，其特征在于，包括m个用电信息采集端和Zigbee无线通信网络，
用电信息采集端用于采集用户的用电信息，并将用电信息发送至Zigbee无线通信网络中，
Zigbee无线通信网络包括协调器、多条信息传输链和m个用户终端，每条信息传输链包括多个串联的路由器，信息传输链的一个端部路由器与协调器相连，每个路由器均与k个用户终端相连，m个用户终端分别与m个用电信息采集端分别一一对应，其中m和k均为大于等于1的正整数且k<m，
用户终端用于接收与其对应的用电信息采集端发送的用电信息，并通过与其相连的路由器将其接收到的用电信息发送至协调器，协调器用于将其接收到的用电信息发送至STM32控制台。
2.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，其特征在于，还包括STM32控制台，
STM32控制台用于接收协调器发送的用电信息、并对该用电信息进行分类，之后将分好类的用电信息发送至服务总站。
3.根据权利要求2所述的一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，其特征在于，还包括服务总站，
服务总站用于接收STM32控制台发送的用电信息，并对该用电信息进行分析。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，其特征在于，用户的用电信息包括：用电量、电费余额、电费缴纳明细和用电异常警报。
5.根据权利要求4所述的一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，其特征在于，Zigbee无线通信网络通过低能耗的方式将用电信息发送至STM32控制台。
6.根据权利要求2所述的一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，其特征在于，STM32控制台为STM32芯片，STM32芯片为STM32F103单片机。
7.根据权利要求3所述的一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，其特征在于，服务总站为OneNET云处理平台。
8.根据权利要求3所述的一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，其特征在于，服务总站通过无线方式与用户端的手机APP实现信息传输。
9.根据权利要求8所述的一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，其特征在于，无线方式为移动互联网。
10.根据权利要求9所述的一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统，其特征在于，服务总站将用户的用电信息接入移动互联网。
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|---|---|---|---|
| CN202210416424.0A CN114899941A (zh) | 2022-04-20 | 2022-04-20 | 一种基于Zigbee物联网的电力系统用户信息采集系统 |
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