CN204576242U - 基于mesh网络对电网电能实施远程监控的管理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公布了一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，它包括MESH型无线网络、中央管理器、分布管理器和用电管理终端；MESH型无线网络包括上层的GPRS网络和底层的ZigBee无线网络，中央管理器与分布管理器之间通过GPRS网络的无线模块进行通信，分布管理器与用电管理终端之间通过ZigBee无线网络的多个无线模块进行通信，ZigBee无线网络的每个无线模块通过用电管理终端的信号接插器连接服务窗口；该方案克服了目前电能管理使用的电能监测仪，仅仅是独立个体监测，无法进行相互之间的信息交换，易造成电器使用过程中的安全隐患的缺陷，适用于对城乡大多数的家庭和企业用电进行远程实时监控。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统。
背景技术
随着国家经济的快速发展，家用电器的使用量也高速增长。由于普通用户不了解家用电器的内部工作原理，无法准确判断各家用电器的用电功率、工作特性等，有时将许多大功率的用电器插在一个插座上，在各种家用电器同时运行的过程中，有时候会同时达到最大功率，从而超出普通插座的极限功率，给用户生命财产带来极大的安全隐患。另一方面，由于普通用户平时只知道家庭的整体用电情况，而无法了解家庭内部各用电器的耗电细节，无法有计划地节约用电。
大多数的家庭和企业基本都能够做到安全用电，不乱用电器，但仍有一小部分的家庭和企业常常忽视不安全用电的危害，将许多大功率的用电器插在一个插座上这样违章的超负荷用电，给生命财产带来极大的隐患。
据不完全统计，目前外部环境改变因素造成的电气设备故障占设备整体故障的62%，设计及器件缺陷18%，使用维护因素11%，其他因素9%。
当前电能管理系统存在以下几方面的问题：1、目前市场上的电能监测仪，仅仅是独立个体，无法进行相互之间的信息交互，给用户带来真正的方便。2、传统的用电管理系统一般需要布设现场总线，然后将现场设备连接到一台电脑进行数据处理并向用户进行界面显示，当数据量较大时可能需要单独的数据处理服务器，不仅需要投入服务器等网络设备以及开发相应的服务软件，系统的维护除现场级设备和总线链路外还需要IT部门的管理员协助维护服务器设备，设备结构复杂，添加结点和减小结点都较为不便，并且这样的大型设备无法适用于普通场合的用电管理。
发明内容
针对上述情况，本实用新型的目的是提供一种对大范围地区的电网、用电环境、负载进行远程实时监测和控制，保障用户的用电安全，并为用户合理用电提供一套合理解决方案的基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统。
为了实现上述目的，一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，它包括MESH型无线网络、中央管理器、分布管理器和用电管理终端；MESH型无线网络包括上层的GPRS网络和底层的ZigBee无线网络，中央管理器与分布管理器之间通过GPRS网络的无线模块进行通信，分布管理器与用电管理终端之间通过ZigBee无线网络的多个无线模块进行通信，ZigBee无线网络的每个无线模块通过用电管理终端的信号接插器连接服务窗口。
为了实现结构、效果和方法优化，其进一步的措施是。
所述用电管理终端硬件包括市用供电电路经电源模块连接STM8L主控芯片，STM8L主控芯片外挂Flash存储器、RTC电路、电压信号采集电路和电流信号采集电路，STM8L主控芯片连接环境监测模块和开关电路，开关电路连接供电电路。
所述分布管理器连接ZigBee无线网络和GPRS网络，分布管理器包括市用供电电路连接电源模块，电源模块连接STM32主控芯片，STM32主控芯片外挂Flash存储器、RTC时钟电路，STM32主控芯片连接显示面板和SD卡。
所述中央管理器连接GPRS网络，中央管理器经市用供电电路连接电源模块，电源模块连接STM32主控芯片，STM32主控芯片外挂RTC时钟电路，STM32主控芯片连接数据导出接口、无线模块和串口232总线，STM32主控芯片与PC机的相连。
所述ZigBee无线网络将含有ZigBee协议的无线模块与分布管理器和电能管理终端进行连接，构成MESH网络的底层组网。
所述GPRS网络的GPRS模块与分布管理器和中央管理器进行连接，构成MESH网络的上层组网。
所述中央管理器为PC机或手机。
所述用电管理终端连接的电路中包括了电源模块，直接将电网交流220V转换为直流5V，由线性稳压源转换为3.3V，由极性反转电源转换器转换为-5V。
所述用电管理终端输出IO控制信号的数据导出接口连接远程控制用户电源。
本实用新型的技术方案是：一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，它包括MESH型无线网络、中央管理器、分布管理器和用电管理终端；MESH型无线网络包括上层的GPRS网络和底层的ZigBee无线网络，中央管理器与分布管理器之间通过GPRS网络的无线模块进行通信，分布管理器与用电管理终端之间通过ZigBee无线网络的多个无线模块进行通信，ZigBee无线网络的每个无线模块通过用电管理终端的信号接插器连接服务窗口；该方案克服了现有电能管理使用的电能监测仪，仅仅是独立个体监测，无法进行相互之间的信息交换，易造成电器使用过程中的安全隐患的缺陷。
本实用新型相比现有技术的有益效果是。
1、本实用新型系统采用的MESH型无线网络是在两种类型的无线网络进行多跳，与传统的MESH型无线网络是在一种类型的网络进行多跳相比，大大提高了无线通信范围和通信的稳定性，降低了系统无线通信成本。
2、本实用新型采用的MESH型无线网络由底层ZigBee无线网络和上层GPRS无线网络的构成，底层ZigBee无线网络主要由电能管理终端和分布管理器的无线模块配合ZigBee协议构成，GPRS无线网络主要由中央管理器和各个分布管理器的GPRS通信模块之间的通信链路组成，实现远距离、高可靠的MESH型无线网络监控。
3、本实用新型对大范围地区的电网、用电环境、负载进行远程实时监控，保证了用户的用电安全，并为用户合理用电提供了一套合理解决方案。
4、本实用新型解决了目前电能管理使用的电能监测仪，仅仅是独立个体监测，无法进行相互之间的信息交换，易造成电器使用过程中的安全隐患的问题。
本实用新型适用于对城乡大多数的家庭和企业用电进行远程实时监控。
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
图1 为传统的MESH网络结构图。
图2 为本实用新型的MESH网络结构图。
图3 是本实用新型的整体系统框架图。
图4 是本实用新型用电管理终端硬件框图。
图5 是本实用新型分布管理器硬件框图。
图中：1、MESH型无线网络，2、中央管理器，3、分布管理器，4、用电管理终端，5、GPRS网络，6、ZigBee无线网络，7、无线模块，8、信号接插器，9、服务窗口，10、电流信号采集电路，11、电源模块，12、开关电路，13、RTC时钟电路，14、环境监测模块，15、STM8L主控芯片,16、Flash存储器，17、电压信号采集电路，18、STM32主控芯片，19、显示面板20、SD卡，21、数据导出接口。
具体实施方式
由本实用新型附图1-附图5所示，一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，包括MESH型无线网络1、中央管理器2、分布管理器3和用电管理终端4；MESH型无线网络1包括上层的GPRS网络5和底层的ZigBee无线网络6，中央管理器2与分布管理器3之间通过GPRS网络6的无线模块7进行通信，分布管理器3与用电管理终端4之间通过ZigBee无线网络6的多个无线模块7进行通信，ZigBee无线网络6的每个无线模块7通过用电管理终端4的信号接插器8连接服务窗口9。用电管理终端4硬件包括市供电电路经电源模块11连接STM8L主控芯片15，STM8L主控芯片15外挂Flash存储器16、RTC时钟电路13、电压信号采集电路17和电流信号采集电路10，STM8L主控芯片15连接环境监测模块14和开关电路12，开关电路12连接供电电路。
分布管理器3连接ZigBee无线网络6和GPRS网络5，分布管理器3包括市供电电路连接电源模块11，电源模块11连接STM32主控芯片18，STM32主控芯片18外挂Flash存储器16、RTC电路13，STM32主控芯片18连接显示面板19和SD卡20。
中央管理器2连接GPRS网络5，中央管理器2经市供电电路连接电源模块11，电源模块连接STM32主控芯片18，STM32主控芯片18外挂RTC时钟电路13，STM32主控芯片18连接数据导出接口21、无线模块7和串口232总线，STM32主控芯片18与PC机相连。中央管理器2为PC机或手机。
ZigBee无线网络6将含有ZigBee协议的无线模块7与分布管理器3和电能管理终端进行连接，构成MESH网络的底层组网。
GPRS网络5的GPRS模块与分布管理器3和中央管理器2进行连接，构成MESH网络的上层组网。
用电管理终端4连接的电路中包括了电源模块11，直接将电网交流220V转换为直流5V，由线性稳压源转换为3.3V，由极性反转电源转换器转换为-5V。
用电管理终端4输出IO控制信号的数据导出接口21连接远程控制用户电源。
本实用新型在硬件上分为三个大的部分：中央管理器2、分布管理器3、用电管理终端4。
用电管理终端4主要以STM8L主控芯片15为核心，包括电网电压信号采集电路17和电流信号采集电路10，用电环境检测模块14、开关电路12、Flash存储器16、RTC时钟电路13。
电网电网电压信号采集电路17和电流信号采集电路10采用专用电能计量芯片RN8209,用于采集电网线路电压瞬时值、电流瞬时值、频率、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等数据；RN8209能对采集到的电网电压瞬时值进行数组缓存，通过对该数组再进行快速傅里叶变换（FFT），即可实现对电网谐波的测量。
用电环境检测模块14包括温湿度传感器、光敏传感器、振动强度测量电路。
STM8L主控芯片15通过单总线写指令操作DHT11，直接从DHT11中读出温度、湿度。通过光敏传感器将环境光线强度转换为电压值，STM8L主控芯片15采用内部ADC模块,通过测量其电压，计算出环境光线强度。振动传感器在发生振动时，其阻值会发生变化，其变化又反映到电压上，STM8L主控芯片15采用内部ADC模块,通过测量其电压，计算出当前振动强度。STM8L主控芯片15通过I2C协议进行读指令，将RTC时钟电路13内存储的当前时间读出，并计算出当前耗电量，STM8L主控芯片15通过SPI协议进行写指令将当前时间和耗电量记录在Flash存储器16中。
用电管理终端4的无线模块7基于ZigBee通信协议，与分布管理器3无线模块7进行自动对接，构成底层近距离无线通信网络。
为了保证系统监测的实时性，本系统采用300ms统一发送间隔，也就是每隔300ms用电管理终端4通过无线模块7向分布管理器3发送一次数据，其中分布管理器3是以STM32主控芯片18为核心，由显示面板19和SD卡20、RTC时钟电路13、ZigBee无线模块、GPRS模块所组成。通过编写良好的人机交互界面，在显示面板19上可以直接实现对电网、环境、负载的实时监测和远程控制。
STM32主控芯片18通过操作内部RTC时钟电路13，可直接读出当前时间，将从各个用电管理终端4传输过来的数据，通过SDHC接口对SD卡20进行写操作指令，记录下各个用电管理终端4当前的耗电量数据。
分布管理器3并不实时将从用电管理终端4接收到的数据发送到中央管理器2上，而是当用电器出现异常或者用户进行查询时，分布管理器3才向中央管理器2发送数据。分布管理器3与分布管理器3之间可以通过GPRS网络5进行通信，也就是可以通过任意一台分布管理器3，可实现对各个用电区域进行监测。
中央管理器2主要以PC机为平台，编写上位机程序，通过数据接口外接GPRS发射接受模块实现与分布管理器2进行通信，也可以通过手机以收发短信的方式，对所用电器工作状态进行查询和控制。
传统的MESH网络只在一种无线网络上实现多跳，而本实用新型的MESH网络分为两大部分，底层ZigBee网络6和上层GPRS网络5，可以实现在两种类型的无线网络进行多跳。ZigBee网络6由各个用电管理终端4的ZigBee无线模块和分布管理器3的ZigBee无线模块的无线通信链路组成。ZigBee无线模块由含有ZigBee通信协议的微控制器和NRF无线收发模块组成。
GPRS网络5由各个分布管理器3的GPRS通信模块和中央管理器2的GPRS通信模块的无线通信链路组成。GPRS通信模块由微控制器和含有GPRS通信协议的无线收发模块组成。
服务窗口9所包含的家用电器包括冰箱、洗衣机、电饭煲、空调和电视机等。
本实用新型采用的MESH网络主要特点如下。
（1）在无线MESH网络中，各网络节点通过相邻其他网络节点，以无线多跳方式相连。
（2）添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。
（3）如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。
本实用新型MESH网络实现步骤如下：
（1）通过一个分布管理器3管理一个小区域的用电管理终端4，在该区域内的用电管理终端4通过ZigBee无线网络6与分布管理器3进行通信。
（2）各个区域的分布管理器3将在本区域的所有用电管理终端4汇总后，通过GPRS网络5发送到中央管理器2。
（3）该过程是可逆的，即中央管理器2可以通过GPRS网络5先将数据传输到分布管理器3，分布管理器3在通过ZigBee无线网络6传输到用电管理终端4。
为了防止数据在MESH网络传输过程中发生冲突，采用了防冲突的设计。
由于无线模块自带载波检测功能，故在发送数据前先转入接收模式进行监听，确认要传输的频率通道未被占用才发送数据。
考虑到本系统采用了300ms的统一发送间隔，在目标众多时有可能发生识别冲突，故引入了ALOHA算法。
ALOHA算法主要用于有源标签，其原理就是，一旦信源发生数据包碰撞，就让信源随机延时后再次发送数据，即在每个300ms计时周期内随机发送标签ID，这就需要在程序中插入一个随机延时，延时时长的选择通过一个随机值函数来实现，随机延时范围为0～300ms。
以上实施例为本实用新型的一个良好方案，随着本实用新型的实施和使用，根据本实用新型所作的局部变动和修改，都属于本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于它包括MESH型无线网络（1）、中央管理器（2）、分布管理器（3）和用电管理终端（4）；所述MESH型无线网络（1）包括上层的GPRS网络（5）和底层的ZigBee无线网络（6），中央管理器（2）与分布管理器（3）之间通过GPRS网络（6）的无线模块（7）进行通信，分布管理器（3）与用电管理终端（4）之间通过ZigBee无线网络（6）的多个无线模块（7）进行通信，ZigBee无线网络（6）的每个无线模块（7）通过用电管理终端（4）的信号接插器（8）连接服务窗口（9）。
2.根据权利要求1 所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述用电管理终端（4）硬件包括市供电电路经电源模块（11）连接STM8L主控芯片（15），STM8L主控芯片（15）外挂Flash存储器（16）、RTC时钟电路（13）、电压信号采集电路（17）和电流信号采集电路（10），STM8L主控芯片（15）连接环境监测模块（14）和开关电路（12），开关电路（12）连接供电电路。
3. 根据权利要求1 所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述分布管理器（3）连接ZigBee无线网络（6）和GPRS网络（5），分布管理器（3）包括市供电电路连接电源模块（11），电源模块（11）连接STM32主控芯片（18），STM32主控芯片（18）外挂Flash存储器（16）、RTC时钟电路（13），STM32主控芯片（18）连接显示面板（19）和SD卡（20）。
4.根据权利要求1 所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述中央管理器（2）连接GPRS网络（5），中央管理器（2）经市供电电路连接电源模块（11），电源模块连接STM32主控芯片（18），STM32主控芯片（18）外挂RTC时钟电路（13），STM32主控芯片（18）连接数据导出接口（21）、无线模块（7）和串口232总线，STM32主控芯片（18）与PC机相连。
5.根据权利要求1 所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述ZigBee无线网络（6）将含有ZigBee协议的无线模块（7）与分布管理器（3）和电能管理终端（4）进行连接，构成MESH网络的底层组网。
6.根据权利要求1 所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述GPRS网络（5）的GPRS模块与分布管理器（3）和中央管理器（2）进行连接，构成MESH网络的上层组网。
7.根据权利要求1 所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述中央管理器（2）为PC机或手机。
8.根据权利要求1所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述用电管理终端（4）连接的电路中包括了电源模块（11），直接将电网交流220V转换为直流5V，由线性稳压源转换为3.3V，由极性反转电源转换器转换为-5V。
9.根据权利要求1 所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述用电管理终端（4）输出IO控制信号的数据导出接口（21）连接远程控制用户电源。
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