CN204965113U - 一种基于ZigBee的智能用电管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于ZigBee的智能用电管理系统，包括电能表和上位机，每间学生宿舍内均设有一个电能表，每个电能表上均设有一个ZigBee无线通信模块，电能表与ZigBee无线通信模块构成一个ZigBee分节点，多个ZigBee分节点之间进行无线通讯，每栋学生宿舍楼均设有一个ZigBee中心节点，多个ZigBee分节点分别与ZigBee中心节点进行无线通讯，ZigBee中心节点与上位机相连。本实用新型采用ZigBee无线通信模块作为上位机与电能表的通讯媒介，实现上位机与各电能表的抄表、充值与限电管理，在照明、风扇不受影响的前提下，学生无法启动电脑等设备，避免了学生通晚玩电脑游戏影响学业。

Description

一种基于ZigBee的智能用电管理系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于ZigBee的智能用电管理系统。

背景技术

我国有上万所寄宿制学校，学生宿舍的用电管理一直是学校头痛的事情，学生经常在宿舍违规使用电炉、热得快等大功率恶性负载，这样轻则造成电费超支、电路短路跳闸，重则会引起火灾。如对学生宿舍定时断电，则管理不能彰显人性，但如不定时断电，又会导致学生通晚玩电脑游戏，影响学业。若能在保证学生宿舍不断电的前提下，禁止恶性负载的使用和分时段限制其用电功率，将能很好的解决这一电能管理难题。如在0点后将使用功率限制在100W以下，既能保证照明与夏天的风扇供电，又无法启动电脑上网游戏。

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术，其主要包括物理层、媒质访问控制层、网络层和应用层。它具有强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本低。ZigBee技术模仿蜜蜂通过跳舞来传递信息的方式，通过相邻网络节点之间信息的接力传递，将信息从一个节点传输到远处的另外一个节点。ZigBee网络支持海量节点入网，最多可支持65535个设备，通过采用簇状或网状的网络拓扑结构，利用路由器中继数据包，可以极大扩展网络覆盖范围，使得节点间的通信距离扩展到数百米甚至几千米远。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、能禁止恶性负载的使用和分时段限制宿舍用电功率的基于ZigBee的智能用电管理系统。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种基于ZigBee的智能用电管理系统，包括电能表和上位机，每间学生宿舍内均设有一个电能表，每个电能表上均设有一个ZigBee无线通信模块，电能表与ZigBee无线通信模块构成一个ZigBee分节点，多个ZigBee分节点之间进行无线通讯，每栋学生宿舍楼均设有一个ZigBee中心节点，多个ZigBee分节点分别与ZigBee中心节点进行无线通讯，ZigBee中心节点与上位机相连。

上述基于ZigBee的智能用电管理系统中，所述电能表包括主控制模块、恶性负载检测模块、电能计量模块、电源模块、显示模块，所述电能计量模块的输入端与负载相连，电能计量模块的输出端经光耦后与主控制模块相连，所述恶性负载检测模块的输入端与负载相连，恶性负载检测模块的输出端与主控制模块相连，所述显示模块与主控制模块相连，所述主控制模块通过ZigBee无线通信模块与ZigBee中心节点进行无线通信，所述电源模块分别与主控制模块、恶性负载检测模块、电能计量模块、显示模块、ZigBee无线通信模块相连。

上述基于ZigBee的智能用电管理系统中，所述电能表还包括存储模块，存储模块与主控制模块、电源模块相连。

上述基于ZigBee的智能用电管理系统中，所述电能计量模块包括取样电阻、电流传感单元、电压传感单元、电能计量芯片，取样电阻串接在负载的供电回路中，所述电流传感单元的输入端与取样电阻相连，输出端与电能计量芯片的电流输入端相连，所述电压传感单元的输入端与取样电阻相连，输出端与电能计量芯片的电压输入端相连，所述电能计量芯片的输出端经光耦与主控制模块相连。

上述基于ZigBee的智能用电管理系统中，所述电能计量芯片采用ADE7755。

上述基于ZigBee的智能用电管理系统中，所述恶性负载检测模块包括放大整形模块、多路选择器、单片机和RAM，所述放大整形模块的输入端与负载相连，输出端与多路选择器的输入端相连，多路选择器的输出端与单片机相连，单片机分别与RAM、主控制模块相连。

上述基于ZigBee的智能用电管理系统中，所述多路选择器采用74150，单片机采用PC87LPC768。

上述基于ZigBee的智能用电管理系统中，所述主控制模块的芯片采用AT89S52。

上述基于ZigBee的智能用电管理系统中，所述显示模块的主芯片采用LM8168A。

上述基于ZigBee的智能用电管理系统中，所述ZigBee无线通信模块的主芯片采用CC2430。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型采用ZigBee无线通信模块作为上位机与电能表的通讯媒介，实现上位机与各电能表的抄表、充值与限电管理，管理方能根据管理要求设置分时限电功率，在保证照明、风扇不受影响的前提下，学生无法启动电脑、电视等设备，避免了学生通晚玩电脑游戏影响学业；

2、本实用新型的电能表包括恶性负载检测模块，能够通过电流与电压波形的畸变自动识别恶性负载，识别结果传送到主控制模块中，由主控制模块发出控制信号切断恶性负载供电，防止热得快、电炉等违规电器的使用，避免电路过载损毁和电费超支。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构框图。

图2为本实用新型电能表的结构框图。

图3为本实用新型电能表的电路图。

图4为本实用新型ZigBee无线通信模块的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1、图2所示，本实用新型包括电能表和上位机，每间学生宿舍内均设有一个电能表，每个电能表上均设有一个ZigBee无线通信模块5，电能表与ZigBee无线通信模块5构成一个ZigBee分节点，多个ZigBee分节点之间进行无线通讯，每栋学生宿舍楼均设有一个ZigBee中心节点，多个ZigBee分节点分别与ZigBee中心节点进行无线通讯，ZigBee中心节点与上位机相连，上位机通过校园网向每个ZigBee中心节点的电能表进行抄表、充值和限电管理。

如图2所示，所述电能表包括主控制模块4、恶性负载检测模块3、电能计量模块2、电源模块、显示模块6、存储模块，所述电能计量模块2的输入端与负载1相连，电能计量模块2的输出端经光耦后与主控制模块4相连，所述恶性负载检测模块3的输入端与负载1相连，恶性负载检测模块3的输出端与主控制模块4相连，所述显示模块6、存储模块与主控制模块4相连，所述主控制模块4通过ZigBee无线通信模块5与ZigBee中心节点进行无线通信，所述电源模块分别与主控制模块4、恶性负载检测模块3、电能计量模块2、显示模块6、存储模块、ZigBee无线通信模块5相连。

主控制模块4的芯片采用AT89S52，存储器选用24C64。电源模块产生三种电源，分别是为恶性负载检测模块3、电能计量模块2供电的不隔离5V电源，为主控制模块4、显示模块6、存储模块供电的5V隔离电源，以及为ZigBee无线通信模块5供电的3.3V隔离电源。

如图3所示，所述电能计量模块2包括取样电阻R0、电流传感单元、电压传感单元、电能计量芯片，取样电阻R0串接在负载1的供电回路中，所述电流传感单元的输入端与取样电阻R0相连，输出端与电能计量芯片的电流输入端相连，所述电压传感单元的输入端与取样电阻R0相连，输出端与电能计量芯片的电压输入端相连，所述电能计量芯片将负载电流与电压的采样值转换成计数脉冲后经光耦输入到主控制模块4，实现电能计量。

所述电能计量芯片采用ADE7755，电能计量电路如图3所示：通过取样电阻R0把电流信号转换为取样电压加在AD7755的V1输入端，与线电压成正比的电压信号加在V2输入端，V1、V2两输入端的模拟量经过ADE7755进行处理后产生常数为3200imp／kwh(脉冲数／千瓦小时)的高频脉冲从CF输出，该脉冲信号经过光耦送入单片机计量。

如图3所示，所述恶性负载检测模块3包括放大整形模块、多路选择器、单片机和RAM，所述放大整形模块的输入端与负载1相连，输出端与多路选择器的输入端相连，多路选择器的输出端与单片机相连，单片机分别与RAM、主控制模块4相连，所述多路选择器采用74150，单片机采用PC87LPC768。通过取样电阻R0将负载1上的电流波转换为电压波后，经过放大整形模块送入多路选择器74150，多路选择器74150为16选1多路选择器，PC87LPC768为带4路8位A/D转换的增强型80C51MCU，单片机通过发出周期性的选通信号控制多路选择器74150的使能端来实现了数据的周期性采样，采样信号送入PC87LPC768进行A/D转换后，存入静态RAM2164中等待处理。PC87LPC768通过检测负载电流与电压的波形畸变来识别恶性负载，识别结果传送到主控制模块4中，由主控制模块4控制晶闸管实现恶性负载的断电控制。

恶性负载（如电炉、电暖器、电热毯等）是线性负载，这类负载一般仅由电阻组成，不包含电容等元件，所以其输入电压波形与输入电流波形在形状上是一致的。而计算机、电视机之类的非线性负载，在负载电路中一般有电容存在，这使得电源只有在高于电容电压时做功，导致输入电流发生畸变，所以对于这类设备来说，虽然输入的交流电压是正弦波形，但其输入交流电流的波形却严重畸变，呈脉冲状。利用这一特点，通过对电流波进行周期性采样，求出电流波形在正半周内的面积，利用不同负载对应电流波形正半周面积不同这一原理来识别负载。具体为：先设其中的正弦波幅值为K1，非正弦波幅值为K2，通过对幅值为K1+K2的正弦波与实际波在[0-π]上积分面积相差来求出线性负载的电流幅值K1及非线性整流负载的电流幅值K2，据此来算出电路中所包含的线性负载功率与非线性整流负载功率，从而识别出恶性负载。

显示模块6采用6位数码管动态显示用电量，选用LM8168A来驱动6位数码管，LM8168A采用串入并出的方式，内部有15个驱动器，其中8位段码输出电流达15mA，7位公共端（位码）输出电流达150mA，完全能足数码管驱动电流的要求。

如图4所示，ZigBee无线通信模块5选用CC2430芯片，CC2430是Chipcon公司生产的符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单芯片。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051)，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES一128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog-timer)、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power-0n-Reset)、掉电检测电路(Brown-out-detection)，以及21个可编程I/O引脚。

图4中的32脚与32脚是外接天线接口。32脚(RF_P)在RX期间向LNA输入正向射频信号，在TX期间接收来自PA的输入正向射频信号；34脚(RF_N)在RX期间向LNA输入负向射频信号，在TX期间接收来自PA的输入负向射频信号。电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由5.6pF电容和三个电感以及一个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入／输出匹配电阻(50Ω)的要求。内部T／R交换电路完成LNA和PA之问的交换。ZigBee无线通信模块5实现了硬件节点的数据处理，接收和发送功能，其数据通过CC2430的P1口与AT89S52进行交换。

本实用新型实施预付费制，用电前先到管理部门预交电费，系统每天0点定时对网络中的电能表自动抄表，电量不足10度报警提醒，电量用完，远程切断供电；实施限电管理，管理部门通过用户管理软件界面为不同宿舍群分配限电标准、限电时区以及是否允许恶性负载使用等；每个电能表都能进行恶性负载识别，当用户使用电炉、热得快等恶性负载，而本电能表又被设定为不允许恶性负载时报警，10秒钟未取消则自动切断供电，管理部门也可在指定宿舍（或宿舍群）的特定时段设定允许恶性负载，如新建的研究生公寓等；用户用电功率不超过管理部门为其设计的限定功率时，电表正常供电，当用户用电功率超过限额或使用恶性负载时，蜂鸣器报警，如在10秒内用电功率未降致限额以下或未取消恶性负载，则断电五分钟，连续三次断电，需到管理部门申请才能继续供电。

Claims (10)

1.一种基于ZigBee的智能用电管理系统，其特征在于：包括电能表和上位机，每间学生宿舍内均设有一个电能表，每个电能表上均设有一个ZigBee无线通信模块，电能表与ZigBee无线通信模块构成一个ZigBee分节点，多个ZigBee分节点之间进行无线通讯，每栋学生宿舍楼均设有一个ZigBee中心节点，多个ZigBee分节点分别与ZigBee中心节点进行无线通讯，ZigBee中心节点与上位机相连。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的智能用电管理系统，其特征在于：所述电能表包括主控制模块、恶性负载检测模块、电能计量模块、电源模块、显示模块，所述电能计量模块的输入端与负载相连，电能计量模块的输出端经光耦后与主控制模块相连，所述恶性负载检测模块的输入端与负载相连，恶性负载检测模块的输出端与主控制模块相连，所述显示模块与主控制模块相连，所述主控制模块通过ZigBee无线通信模块与ZigBee中心节点进行无线通信，所述电源模块分别与主控制模块、恶性负载检测模块、电能计量模块、显示模块、ZigBee无线通信模块相连。

3.根据权利要求2所述的基于ZigBee的智能用电管理系统，其特征在于：所述电能表还包括存储模块，存储模块与主控制模块、电源模块相连。

4.根据权利要求2所述的基于ZigBee的智能用电管理系统，其特征在于：所述电能计量模块包括取样电阻、电流传感单元、电压传感单元、电能计量芯片，取样电阻串接在负载的供电回路中，所述电流传感单元的输入端与取样电阻相连，输出端与电能计量芯片的电流输入端相连，所述电压传感单元的输入端与取样电阻相连，输出端与电能计量芯片的电压输入端相连，所述电能计量芯片的输出端经光耦与主控制模块相连。

5.根据权利要求4所述的基于ZigBee的智能用电管理系统，其特征在于：所述电能计量芯片采用ADE7755。

6.根据权利要求2所述的基于ZigBee的智能用电管理系统，其特征在于：所述恶性负载检测模块包括放大整形模块、多路选择器、单片机和RAM，所述放大整形模块的输入端与负载相连，输出端与多路选择器的输入端相连，多路选择器的输出端与单片机相连，单片机分别与RAM、主控制模块相连。

7.根据权利要求6所述的基于ZigBee的智能用电管理系统，其特征在于：所述多路选择器采用74150，单片机采用PC87LPC768。

8.根据权利要求2所述的基于ZigBee的智能用电管理系统，其特征在于：所述主控制模块的芯片采用AT89S52。

9.根据权利要求2所述的基于ZigBee的智能用电管理系统，其特征在于：所述显示模块的主芯片采用LM8168A。

10.根据权利要求2所述的基于ZigBee的智能用电管理系统，其特征在于：所述ZigBee无线通信模块的主芯片采用CC2430。