CN205910718U - 基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统，系统包括耗能表、多个RS485转TTL模块、多个的ZigBee终端节点、多个ZigBee路由节点、用于网络的建议及管理的ZigBee协调器以及服务器；每个耗能表连接一个RS485转TTL模块，每个RS485转TTL模块连接一个ZigBee终端节点，一个RS485转TTL模块和一个ZigBee终端节点共同构成ZigBee终端采集节点，在ZigBee协调器节点建立好网络后，ZigBee终端采集节点负责能耗数据的采集和转换，然后通过射频天线传送给ZigBee路由节点，再由ZigBee路由节点传送给ZigBee协调器，ZigBee协调器负责接收数据后通过USB转串口传输到服务器。本实用新型通过ZigBee无线组网技术实时采集耗能表的数据、监控耗能表的运行状况，在能表采集节点较多且分布较为密集的条件下具有无可比拟的优势。

Description

基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统

技术领域

本实用新型涉及企业能源信息采集的研究领域，特别涉及一种基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统。

背景技术

ZigBee无线组网技术是基于IEE802.15.4无线标准的通信技术，它是新兴的无线通信协议。IEE802.15.4定义了物理层(PHY)和媒体访问控制(MAC)层，ZigBee定义了网络(NWK)层和应用层(APL)。根据协议规定ZigBee无线组网技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

ZigBee无线组网技术作为一种新兴的无线网络技术，具有低功耗、低成本、网络容量大、可靠性高等优点，适合用于终端节点多且分布较为密集的工业自动化监控、无线数据采集等领域，可以为企业能源管理信息采集系统提供很好的解决方案。

根据IEE802.15.4标准协议，ZigBee共分配了具有3种不同速率的27个信道，各频段上的调制方式和传输速率也不同，3个频段分别为2.4GHz、868MHz和915MHz。全球通用的工业、科学、医学频段可使用其中的2.4GHz频段，是免费使用且不用申请无线电频率许可。ZigBee无线组网技术可工作在2.4GHz(全球流行)和868(欧洲流行)/915(美国流行)MHz频段上，分别具有250Kbit/s、20Kbit/s、40Kbit/s的数据传输速率。

ZigBee的主要特点有以下几个方面：

(1)传输可靠性高。ZigBee在物理层(PHY)和MAC层上分别采用了扩频技术以及CSMA/CA协议，提高了通信的可靠性。

(2)功耗低。ZigBee技术的重要特点之一就是低功耗，2节5号干电池可支持1个节点工作6到24个月。

(3)安全性强。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码。

(4)成本低。ZigBee的协议简单且免收专利费，这些特点使得ZigBee的成本大大降低。

(5)网络容量大。一个ZigBee网络最多可包括65535个无线设备，包括全功能设备和终端功能设备，它们之间可自由地进行信息交互，从而形成庞大的网络系统。

(6)距离灵活改变。相邻节点间的距离传输范围一般在10到100m之间，在增加发射功率后，可增加到1至3km。如果采用路由节点进行中继接力，传输距离将可以更远。

目前已经有通过RS485总线通信来采集能耗数据，RS485总线为半双工工作方式，其通信的数据线有两条，分别是一个信号标准点位的正负端，真正的信号必须由两条线路相减得到。因此，每次通信只可以向一个方向传送数据，任何时候网络中只能有一个主设备，即处于发送状态的设备，从设备不进行主动通讯。为了避免总线冲突，系统的采集器与耗能表间都采用主从式通信。即主机发送的数据可以传送到各从机或指定从机，而各个从机发送的数据只能发送给主机。无论主机还是从机都采用查询方式发送数据，中断方式接收数据。RS485总线常采用特性阻抗为120欧姆的双绞线作为传输介质，因此信号在传输线上传送时，遇到阻抗不连续的时候会出现反射现象，影响信号的远距离传输。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统，实现在企业中实时准确地自动化采集能耗数据并实现传输能耗数据到服务器上。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供了一种基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统，包括耗能表、多个用于将耗能表的RS485电平与微处理器的TTL电平相互转换的RS485转TTL模块、多个用于能耗表数据采集的ZigBee终端节点、多个用于扩展ZigBee网络中通信距离的ZigBee路由节点、用于网络的建议及管理的ZigBee协调器以及服务器；每个耗能表连接一个RS485转TTL模块，每个RS485转TTL模块连接一个ZigBee终端节点，一个RS485转TTL模块和一个ZigBee终端节点共同构成ZigBee终端采集节点，所述ZigBee终端节点与ZigBee路由节点连接，所有的ZigBee路由节点连接到ZigBee协调器；在ZigBee协调器节点建立好网络后，ZigBee终端采集节点负责能耗数据的采集和转换，然后通过射频天线传送给ZigBee路由节点，再由ZigBee路由节点传送给ZigBee协调器，ZigBee协调器负责接收数据后通过USB转串口传输到服务器。

作为优选的技术方案，所述ZigBee终端采集节点周期性的采集能耗数据。

作为优选的技术方案，当ZigBee终端采集节点的分布密集时，各ZigBee终端采集节点共用一个ZigBee路由节点，由ZigBee路由节点将各ZigBee终端采集节点的数据汇总后发送给ZigBee协调器。

作为优选的技术方案，对于与服务器距离较远的耗能表，在每条数据采集链路上设置多个ZigBee路由节点，ZigBee终端采集节点将采集到的距离较远的耗能表的能耗数据发送到一个ZigBee路由节点上，再由这个ZigBee路由节点转发到下一个ZigBee路由节点，直至将采集到的数据发送到ZigBee协调器。

作为优选的技术方案，所述ZigBee终端节包括JTAG调试下载接口、液晶屏、LED指示灯、按键及USB接口；所述射频板包括CC2530微处理器、天线接口、晶振以及I/O扩展接口；所述JTAG调试下载接口、液晶屏、LED指示灯、按键、USB接口、天线接口、晶振以及I/O扩展接口均与CC2530微处理器连接。

作为优选的技术方案，所述耗能表包括电能表、水表和气表。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型通过ZigBee无线组网技术实时采集耗能表的数据，实时监控耗能表的运行状况，在能表采集节点较多且分布较为密集的条件下具有无可比拟的优势，这是因为ZigBee无线组网技术是使用的是2.4G频段的免费通信方式。当通信距离较远时，这时可采用增加发射功率模块或者采用ZigBee路由节点。增加发射功率模块增大发射功率以及增加ZigBee路由节点作为中继将数据继续发送这两种方式传输可以大大提高ZigBee的通信距离，使两个节点的通信距离可达几百米甚至上千米，从而延长通信距离。

2、本实用新型中，在耗能表采集节点较为密集时，各采集节点可共用一个ZigBee路由节点，这时可使ZigBee路由节点的数量大大减少，从而大大减少其开发成本。在ZigBee无线组网下，ZigBee终端节点实时采集耗能表的数据后发送到ZigBee路由节点，ZigBee路由节点收到数据后作为中继转发到下一个ZigBee路由节点，一次次转发下去，直到将数据转发到ZigBee协调器，ZigBee协调器作为数据的汇集节点，ZigBee协调器收到各个ZigBee路由节点发过来的数据后汇集起来通过USB转串口线与服务器相连将数据导入服务器的数据库里。服务器能源管理软件把这些能耗数据实时显示和统计，方便企业能源管理部门实时查看耗能情况，企业能源管理部门可以对这些能耗数据进行统计分析和打印查看详细能耗情况，分析耗能异常的原因并提出节能减排方案，为节能减排和企业的能源管理提供了可靠的依据。

附图说明

图1是本实用新型基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统的框架示意图；

图2是本实用新型CC2530微处理器内部结构图；

图3是本实用新型ZigBee终端节点的结构示意图；

图4是本实用新型射频板CC2530微处理器典型电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

当今能源的供应越来越紧张，企业能源消耗问题越来越突出，而且企业在能源消耗方面占据着重要的位置，目前国家大力推行节能减排的政策，鼓励企业进行能源管理，但目前大部分企业还没实现能源管理系统的搭建，对能源信息的采集还是以人工读取的方式采集，因此研究和设计一套自动化采集的企业能源管理信息采集系统，实现在企业中实时准确地采集能耗数据具有非常重大的意义。

企业能源消耗问题主要是由于企业自身没有及时监控能源的使用情况从而导致能源的不合理利用。企业要实现节能减排和提高能源利用率，首先要从基础的能耗数据采集工作开始，实现实时准确地获取各项能耗数据。但由于目前很多企业自身没有搭建和开发能源管理信息采集系统，使得企业能源利用率低下给企业带来了巨大的损失。针对企业能源管理信息采集系统的设计，是为了提高企业的能源利用率，减少能源消耗，实现节能减排。

企业能源管理信息采集系统是采用无线通信技术、电子控制技术相结合，自动周期性地采集各时段企业的能耗数据，并通过无线通信技术发送到服务器的数据库里，利用计算机系统上的能源管理软件进行管理和分析。企业能源管理信息采集系统极大地方便了企业的能源管理工作，为实现节能减排和企业的能源管理提供了数据支持。

目前很多企业对能耗数据的采集是以传统原始的人工读取的方式进行采集，这样采集数据的方式往往带有人为随意性、误差大、实时性差、工作量大、容易在统计中出错等问题，难以对能源消耗情况进行科学的分析。随着企业的发展，采用企业能源管理信息采集系统，不仅给企业管理人员在能源管理方面带来了方便，而且改变能源管理效率低下，实时性不强的状况。企业能源管理信息采集系统由各个耗能表(电能表、水表、气表)、能耗数据采集模块、无线通信模块和服务器构成。经过一段时间的能耗数据实时采集后，获得大量的能耗数据，通过服务器上的能源管理软件进行统计分析，分析出能耗异常和能源利用率低下的原因，并结合专家意见和企业的实际情况提出节能降耗决策，为企业节省在能源消耗方面的费用，提高企业能源管理水平，实现企业的节能减排。

ZigBee无线组网技术作为一种新兴的无线网络技术，具有低功耗、低成本、网络容量大、可靠性高等优点，适合用于能耗表节点多且分布较为密集的企业环境，为企业能源管理信息采集系统提供很好的解决方案。将ZigBee无线组网技术应用到企业能源管理信息采集系统中，能全面提高企业能源管理数字化、信息化、自动化水平。

如图1所示，本实施例基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统，包括耗能表、多个用于RS485转TTL模块、多个ZigBee终端节点、多个ZigBee路由节点、用于网络的建议及管理的ZigBee协调器以及服务器；每个耗能表连接一个RS485转TTL模块，每个RS485转TTL模块连接一个ZigBee终端节点，一个RS485转TTL模块和一个ZigBee终端节点共同构成ZigBee终端采集节点，所述ZigBee终端节点与ZigBee路由节点连接，所有的ZigBee路由节点连接到ZigBee协调器；在ZigBee协调器节点建立好网络后，ZigBee终端采集节点负责能耗数据的采集和转换，然后通过射频天线传送给ZigBee路由节点，再由ZigBee路由节点传送给ZigBee协调器，ZigBee协调器负责接收数据后通过USB转串口传输到服务器。在企业能源管理信息采集系统中采用树型网络，可以满足实际的需求。

每个ZigBee终端节点负责耗能表的数据采集，ZigBee协调器节点负责网络的建立和管理，在ZigBee协调器建立好网络后，终端节点负责能耗数据的采集和转换，然后通过射频天线传送给路由节点，再由路由节点传送给ZigBee协调器，ZigBee协调器负责接收数据后通过USB转串口传输到服务器，各个终端节点周期性的采集能耗数据。

由于ZigBee协议采用64bit IEEE地址和16bit短地址空间，网络最多能支持65536个逻辑设备。如果耗能表与服务器距离较远时，可以设置ZigBee路由节点，将ZigBee终端采集节点将采集到的耗能数据发送到一个ZigBee路由节点上，再由这个ZigBee路由节点转发到下一个ZigBee路由节点或者ZigBee协调器。

对于RS485转TTL模块，由于耗能表的RS485接口采用差分信号负逻辑，当电平在+2V和+6V之间表示逻辑“1”，当电平在-6V和-2V之间表示逻辑“0”，而采集器中的微处理器通信接口是TTL电平，TTL电平用+5V表示逻辑“1”，0V表示逻辑“0”，两者电平不一样，因此在数据通信过程中，需要将这两种电平进行相互转换，才能使这两种电平互相匹配，达到通信的目的。在企业能源管理信息采集系统中，RS485转TTL模块采用的是MAX485转换芯片，将耗能表的RS485电平与微处理器的TTL电平相互转换。

对于ZigBee路由节点，ZigBee路由节点是为了扩展ZigBee网络中的通信距离，如果耗能表与服务器距离较远时，可以设置路由节点，将ZigBee终端采集节点将采集到的耗能表数据发送到一个ZigBee路由节点上，再由这个ZigBee路由节点转发到下一个ZigBee路由节点或者ZigBee协调器。ZigBee网络为数据的传输寻找一条合适的路由传输路径，通过“多点跳”的方式将该数据传送到ZigBee协调器，大大拓展了通信距离。

在企业能源管理信息采集系统中的耗能表与CC2530微处理器数据通信时需要进行电平转换，实现RS485电平与TTL电平的相互转换，因此在耗能表和ZigBee终端节点之间采用RS485转TTL模块，实现耗能表的RS485电平与CC2530微处理器的TTL电平的相互转换。

本实施例在耗能表采集节点较多且分布较为密集的条件下具有无可比拟的优势，这是因为ZigBee无线组网技术是使用的是2.4G频段的免费通信方式。当通信距离较远时，这时可采用增加发射功率模块或者采用ZigBee路由节点。增加发射功率模块增大发射功率以及增加ZigBee路由节点作为中继将数据继续发送这两种方式传输可以大大提高ZigBee的通信距离，使两个节点的通信距离可达几百米甚至上千米，从而延长通信距离。在耗能表采集节点较为密集时，各采集节点可共用一个ZigBee路由节点，这时可使ZigBee路由节点的数量大大减少，从而大大减少其开发成本。在ZigBee无线组网下，ZigBee终端节点实时采集耗能表的数据后发送到ZigBee路由节点，ZigBee路由节点收到数据后作为中继转发到下一个ZigBee路由节点，一次次转发下去，直到将数据转发到ZigBee协调器，ZigBee协调器作为数据的汇集节点，ZigBee协调器收到各个ZigBee路由节点发过来的数据后汇集起来通过USB转串口线与服务器相连将数据导入服务器的数据库里。

本实施例中，ZigBee终端节点主要采用符合ZigBee工业标准的CC2530微处理器，CC2530微处理器能实现来自耗能表数据的采集提取、将实时能耗信息显示到液晶屏上、数据的无线传输以及网路组网、向耗能表发送命令，因此CC2530微处理器具有控制、处理数据以及发送数据组建网路的功能。

采集器通过CC2530微处理器首先发出与耗能表波特率同步的信息帧，采集器与耗能表波特率同步后，采集器通过CC2530微处理器发出耗能表数据采集请求信息帧，耗能表收到CC2530微处理器的数据请求信息帧后通过RS485接口发出此时二进制耗能数据信息帧，进行TTL电平转换后传输给CC2530微处理器，CC2530微处理器收到二进制能耗信息帧后进行数据提取，把二进制能耗信息部分转换为ASCII字符格式，显示在液晶屏上，并将能耗信息通过无线发射到路由节点上，路由节点收到之后转发到下一个路由节点或者ZigBee协调器，ZigBee协调器收到数据后通过USB转串口将数据传输到服务器上，服务器将数据进行存储到数据库并显示到能源管理系统软件界面上，实现多点组网的数据采集。

如图2所示，CC2530微处理器是应用于2.4GHz IEEE 802.15.4和ZigBee一个真正的系统级微处理器(SoC)解决方案。其内部集成了高性能射频收发器、工业标准增强型8051MCU内核、256KB FlashROM和8KB RAM。

如图3所示，所述ZigBee终端节包括JTAG调试下载接口、液晶屏、LED指示灯、按键及USB接口；所述射频板包括CC2530微处理器、天线接口、晶振以及I/O扩展接口；所述JTAG调试下载接口、液晶屏、LED指示灯、按键、USB接口、天线接口、晶振以及I/O扩展接口均与CC2530微处理器连接。CC2530微处理器内部集成了RAM和Flash以及射频模块，故其只需外接几个电容、电阻构成的滤波电路和必需的电源、振荡器就可组建ZigBee网络节点。射频板CC2530微处理器典型电路如图4所示。

下面进一步结合具体的例子来进行阐述，用烧水水壶插上插座煮水来消耗电能，烧水水壶所消耗的电能显示在电能表上，耗能表把能耗数据传输给ZigBee采集节点再将该能耗数据进行打包转发给一个指定16位短地址的ZigBee路由节点，ZigBee路由节点收到能耗数据转发给ZigBee协调器，由此实现ZigBee多点路由组网的传输方式。ZigBee协调器收到能耗数据后通过USB-232数据线将数据传到电脑上，由电脑串口调试助手观察ZigBee协调器接收到能耗数据采集情况，通过系统的整体搭建和调试，可以看出系统实现实时采集耗能表的能耗数据，ZigBee采集节点和协调器的液晶屏能够实时监控系统的运行情况，通过串口调试助手可以观察到ZigBee协调器正常接收来自两个ZigBee数据采集节点的能耗数据，系统的功能基本实现。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统，其特征在于，包括耗能表、多个用于将耗能表的RS485电平与微处理器的TTL电平相互转换的RS485转TTL模块、多个用于能耗表数据采集的ZigBee终端节点、多个用于扩展ZigBee网络中通信距离的ZigBee路由节点、用于网络的建议及管理的ZigBee协调器以及服务器；每个耗能表连接一个RS485转TTL模块，每个RS485转TTL模块连接一个ZigBee终端节点，一个RS485转TTL模块和一个ZigBee终端节点共同构成ZigBee终端采集节点，所述ZigBee终端节点与ZigBee路由节点连接，所有的ZigBee路由节点连接到ZigBee协调器；在ZigBee协调器节点建立好网络后，ZigBee终端采集节点负责能耗数据的采集和转换，然后通过射频天线传送给ZigBee路由节点，再由ZigBee路由节点传送给ZigBee协调器，ZigBee协调器负责接收数据后通过USB转串口传输到服务器。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统，其特征在于，所述ZigBee终端采集节点周期性的采集能耗数据。

3.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统，其特征在于，当ZigBee终端采集节点的分布密集时，各ZigBee终端采集节点共用一个ZigBee路由节点，由ZigBee路由节点将各ZigBee终端采集节点的数据汇总后发送给ZigBee协调器。

4.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统，其特征在于，对于与服务器距离较远的耗能表，在每条数据采集链路上设置多个ZigBee路由节点，ZigBee终端采集节点将采集到的距离较远的耗能表的能耗数据发送到一个ZigBee路由节点上，再由这个ZigBee路由节点转发到下一个ZigBee路由节点，直至将采集到的数据发送到ZigBee协调器。

5.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统，其特征在于，所述ZigBee终端节点包括射频板、JTAG调试下载接口、液晶屏、LED指示灯、按键及USB接口；所述射频板包括CC2530微处理器、天线接口、晶振以及I/O扩展接口；所述JTAG调试下载接口、液晶屏、LED指示灯、按键、USB接口、天线接口、晶振以及I/O扩展接口均与CC2530微处理器连接。

6.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线组网技术的企业能源管理信息采集系统，其特征在于，所述耗能表包括电能表、水表和气表。