王瑛輝 石理碧 孫 堅(jiān)

(浙江杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院 ，杭州 310019)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，我國(guó)的能源消耗總量居世界第二，而我國(guó)人均能源資源占有量卻只有世界平均水平的40%，因此提高能源利用率促進(jìn)節(jié)能減排已成為我國(guó)重要任務(wù)之一，其中能源計(jì)量成為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵。能源計(jì)量是指在能源流程中，對(duì)各環(huán)節(jié)的數(shù)量、 質(zhì)量、性能參數(shù)及相關(guān)的特征參數(shù)等進(jìn)行檢測(cè)、度量和計(jì)算，以達(dá)到提高能源利用效率、節(jié)約能源的目的。

目前我國(guó)能源計(jì)量缺乏經(jīng)濟(jì)、適用和可靠性高的計(jì)量手段，不能做到及時(shí)采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，提供用能決策依據(jù)。如果采用傳統(tǒng)的有線方式來(lái)進(jìn)行能源計(jì)量，需要鋪設(shè)大量的電纜、網(wǎng)線、光纖以構(gòu)成傳輸網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)備建設(shè)和維護(hù)成本很高。因此我們可借助于通訊可靠、費(fèi)用合理的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。ZigBee技術(shù)是采用IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)、可靠性高及成本低廉的特點(diǎn)。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是功耗與成本最低的技術(shù)，能更好地滿足能源計(jì)量的要求。

1 能源計(jì)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

能源計(jì)量系統(tǒng)是一種基于WEB的現(xiàn)代化能源管理平臺(tái)，可以對(duì)用能單位的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析和統(tǒng)計(jì)查詢，為用能單位的節(jié)能提供科學(xué)依據(jù)，并為能源計(jì)量審查提供科學(xué)數(shù)據(jù)參考。能源計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,能源計(jì)量器具通過(guò)RS485接口與ZigBee模塊連接，各能源計(jì)量器具的數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee模塊傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)局域網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器。管理平臺(tái)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)頁(yè)面。

圖1 能源計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

由于ZigBee模塊要與能源計(jì)量器具一起使用或獨(dú)立使用，并要使用電池供電，要求ZigBee模塊體積小、低功耗和高可靠性。因此，我們選用了Jennic公司生產(chǎn)的JN5139模塊。JN5139完全兼容2.4GHz IEEE802.15.4收發(fā)器，采用2.2～3.6V電壓供電，接收靈敏度高達(dá)-97dBm，發(fā)射功率為+3dBm，深度睡眠時(shí)僅消耗電流0.2μA，非常適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖

ZigBee節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由JN5139模塊、RS232和RS485通信端口、電源模塊、I/O接口4部分組成。電源模塊采用電池供電，RS232 接口用于程序的編寫、調(diào)試,RS485 接口用于連接能源計(jì)量器具，采集計(jì)量器具的數(shù)據(jù)。擴(kuò)展I/O口用于連接其他外部設(shè)備，增加節(jié)點(diǎn)的可擴(kuò)展性。

圖2 ZigBee節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.2 JN5139模塊

如圖3所示的JN5139模塊集成了32 位RISC處理器、48字節(jié)OTP eFuse、128 KB FLASH、192 KBROM、96 KB RAM、RF收發(fā)器，并提供了4路12位ADC、2路11位DAC，2個(gè)比較器、2個(gè)用戶計(jì)時(shí)器、3個(gè)系統(tǒng)計(jì)時(shí)器，2個(gè)UART(其中一個(gè)用于系統(tǒng)調(diào)試)，1個(gè)帶有5個(gè)片選線的SPI接口，1個(gè)2線串行接口,21個(gè)通用I/O口。

圖3 JN5139模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3 RS485模塊

如圖4所示，RS485模塊采用SP3485芯片與能源計(jì)量器具連接，能源計(jì)量器具的485信號(hào)通過(guò)SP3485芯片轉(zhuǎn)換為TTL信號(hào)，再傳輸?shù)絁N5139的串口UART1，實(shí)現(xiàn)ZigBee模塊與能源計(jì)量器具之間的通信。

圖4 RS485模塊結(jié)構(gòu)圖

2.4 RS232模塊

如圖5所示，RS232模塊采用MAX3232芯片，將計(jì)算機(jī)TS232串口輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL信號(hào)，將通信程序燒寫到JN5139芯片上，實(shí)現(xiàn)ZigBee節(jié)點(diǎn)間的通信。

圖5 RS232模塊結(jié)構(gòu)圖

3 ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器的主要功能是對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，允許節(jié)點(diǎn)的加入，并為各節(jié)點(diǎn)分配地址,然后和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，并將能源計(jì)量器具的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器。ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程圖如圖6所示。

ZigBee節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的主要執(zhí)行者，節(jié)點(diǎn)接收到協(xié)調(diào)器采集數(shù)據(jù)的命令后，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，完成數(shù)據(jù)采集后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次數(shù)據(jù)采集命令。ZigBee節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖7所示。

圖6 ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程圖

圖7 ZigBee節(jié)點(diǎn)工作流程圖

4 實(shí)測(cè)試驗(yàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在我院能源計(jì)量中心對(duì)用電量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，把數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)與能源計(jì)量器具的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，表1為本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與能源計(jì)量器具測(cè)量數(shù)據(jù)的比較，可以看出系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與能源計(jì)量器具測(cè)量數(shù)據(jù)完全一致。

表1 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與能源計(jì)量器具的測(cè)量數(shù)據(jù)比較

5 結(jié)論

基于 ZigBee技術(shù)的能源計(jì)量系統(tǒng)發(fā)揮了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在能源計(jì)量中的重要作用，為能源計(jì)量管理提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步制定節(jié)能減排方案提供依據(jù)，達(dá)到優(yōu)化資源配置，可以帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

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