翁同洋, 劉大明, 畢忠勤

(上海電力學(xué)院 a.電子與信息工程學(xué)院, b.計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上?！?00090)

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電能能耗實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

翁同洋a,b, 劉大明b, 畢忠勤b

(上海電力學(xué)院 a.電子與信息工程學(xué)院, b.計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海200090)

摘要:隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,用戶側(cè)對設(shè)備能耗的監(jiān)測要求越來越高.為了能實時監(jiān)測電能的使用情況,設(shè)計了一種電能能耗實時監(jiān)測系統(tǒng).結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),在硬件上采用RN8209G計量芯片+TelosB節(jié)點,在軟件上使用TinyOS操作系統(tǒng)nesC編程語言+C#終端顯示.將節(jié)點實物設(shè)計成插座形式,完成了對用戶側(cè)電能的實時監(jiān)測.

關(guān)鍵詞：電能能耗; 實時監(jiān)測; 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); TinyOS系統(tǒng)

當(dāng)今社會經(jīng)濟快速發(fā)展,電力需求量持續(xù)增加,而電力供需形勢卻持續(xù)緊張,用電形勢十分嚴(yán)峻.為此,根據(jù)我國國情,電力行業(yè)制定了堅強智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃.隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,為了更好地服務(wù)用戶,需要提供更加精確和實時的用戶側(cè)用電設(shè)備能耗監(jiān)測.目前,國內(nèi)大多數(shù)家庭和企業(yè)使用單相式、電子式電能表,其顯示界面和信息存儲量小,處理能力有限,可操作性差,只能讀出每月的總用電量,無法對用電信息進行完整的分析,無法方便用戶了解各用電器的耗能情況以改變用電習(xí)慣.

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為能耗監(jiān)測設(shè)計提供了新思路.繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后,物聯(lián)網(wǎng)成為另一大重要的信息技術(shù),它融合了半導(dǎo)體、傳感器、計算機、通信網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù).物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的核心是無線傳感器網(wǎng)絡(luò),它是由大量低成本、低功耗的傳感器節(jié)點組成,以無線通信的方式形成多跳和自組織網(wǎng)絡(luò),目的是將采集并處理過的監(jiān)測對象的特定信息發(fā)送給用戶,以便進行分析和監(jiān)控[1].本文設(shè)計的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電能能耗實時監(jiān)測系統(tǒng),能實時采集每一個插孔上的電壓、電流等數(shù)據(jù),以規(guī)避風(fēng)險,并分析每一個用電器的用電信息,很好地解決了前述電能表存在的問題.

1硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件主要包括電源模塊、電能計量模塊、溫濕光傳感器、控制器、無線收發(fā)模塊和串口模塊6個部分.這些模塊之間的關(guān)系如圖1所示.

圖1　各模塊結(jié)構(gòu)示意

圖1中,電源模塊的功能是將市電轉(zhuǎn)化為直流電,為其他模塊供電;電能計量模塊采集用電器的電壓、電流、有功功率和用電量4組數(shù)據(jù);溫濕傳感器和光照傳感器采集節(jié)點的溫度、濕度和光照強度3組數(shù)據(jù);控制器是硬件系統(tǒng)的核心,讀取和處理數(shù)據(jù),并協(xié)調(diào)各模塊間的運作;無線收發(fā)模塊完成無線通信和組網(wǎng)的功能;串口模塊負(fù)責(zé)節(jié)點與PC之間的通信.

系統(tǒng)中的電源模塊和電能計量模塊是自主設(shè)計的,溫濕光傳感器、控制器、無線收發(fā)模塊和串口模塊是集成在由CrossBow公司研發(fā)的TelosB節(jié)點上.

電源模塊設(shè)計將220 V交流電經(jīng)過變壓、整流和濾波后輸入系統(tǒng),然后通過三端穩(wěn)壓集成電路7805輸出直流5 V,最后通過LD1086D2M33低壓差線性穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)5 V到3.3 V的轉(zhuǎn)換,以確保向其他模塊提供DC3.3 V和DC5 V穩(wěn)定電壓.

計量芯片選用RN8209G.該芯片可以測量有功功率和有功能量,并提供獨立的電流有效值和電壓有效值.提供SPI和UART兩個串行接口,方便與外部單片機通信.內(nèi)部電源監(jiān)控電路可以保證芯片在通斷電時可靠運行[2].

溫濕度傳感器采用由Sensirion公司的SHT11芯片,其內(nèi)部包含了一個由能隙材料制成的溫度傳感元件和一個由電容式聚合體制成的濕度傳感元件[3].可以測量溫度范圍是-40～+120 ℃,濕度范圍為0～100%RH,提供電流輸出.光敏傳感器采用由Hamamatsu公司研發(fā)的S1087和S1087-01,它們是一種陶瓷封裝的光電測量計,可以測量紅外光與可見光.兩傳感器輸出的電流信號通過大電阻轉(zhuǎn)換電壓信號,再送入控制器內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換.

控制器采用TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗單片機MSP430F1611.該單片機處理能力較強,片內(nèi)外設(shè)豐富;具有支持在線編程和仿真的48KB FLASH存儲器;程序失控時看門狗能夠迅速復(fù)位;擁有16位定時器(Timer_A和Timer_B)可用于定時、計數(shù)等;多功能串口(USART)能實現(xiàn)一級或者多級同步、異步和12 C串口通信;I/O端口較多,其P1端口和P2端口能接受外部上升沿或下降沿中斷輸入;12位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換率高,可以滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集的應(yīng)用.

無線收發(fā)模塊采用Chipcon公司研發(fā)的無線收發(fā)芯片CC2420,它能夠兼容2.4GHz IEEE 802.15.4.該芯片將來自控制器的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為無線電波,采用半雙工通信,既可用于發(fā)送又可用于接收.MSP430F1611與CC2420通過SPI方式通信,其中MSP430F1611采用主模式,CC2420采用從模式.

串口模塊采用FTDI公司的FT232BM芯片.該芯片能夠通過UART實現(xiàn)USB與RS232,RS422/RS485串行數(shù)據(jù)協(xié)議雙向轉(zhuǎn)換[4].

系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計成插座形式,圖2是其實物圖.

圖2　節(jié)點實物圖像

2軟件設(shè)計

電能能耗實時監(jiān)測系統(tǒng),使用TinyOS操作系統(tǒng).TinyOS系統(tǒng)是基于事件驅(qū)動的操作系統(tǒng),目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛[5],其架構(gòu)方式組件化、設(shè)計模塊化,具有輕線程、主動消息等特點,能夠快速實現(xiàn)各種代碼量小、耗能少、并發(fā)性高、魯棒性好的設(shè)計應(yīng)用[6].TinyOS系統(tǒng)、庫和應(yīng)用程序都采用nesC語言編寫.nesC語言的語法與C語言類似,是一種基于結(jié)構(gòu)化組件的應(yīng)用程序語言,支持TinyOS并發(fā)模型[7].

2.1軟件整體思路與初始化

軟件設(shè)計的整體思路是:節(jié)點上電后,先進行初始化.接下來通過設(shè)定周期定時器以使節(jié)點周期性地讀取溫度、濕度、光照和采集電能信息.同時開啟天線,無線收發(fā)模塊接收子節(jié)點數(shù)據(jù)包以及將數(shù)據(jù)包發(fā)送至父節(jié)點.

數(shù)據(jù)包在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過一跳或者多跳到達匯聚節(jié)點,PC通過匯聚節(jié)點接收這些信息,并處理、顯示到終端界面上.主程序流程圖如圖3所示.

圖3　主程序流程示意

為保證數(shù)據(jù)采集的實時性和簡化程序,采用多線程并發(fā)模式,使用多個定時器分別實現(xiàn)對各物理量的采集.為保證準(zhǔn)確性,每次啟動時計量模塊都需要初始化一次.因此,設(shè)計了節(jié)點上電主程序運行時,控制器首先通過串口向計量芯片的寄存器寫入一串初始化字節(jié)的機制.這些字節(jié)和其執(zhí)行的功能如表1所示.

2.2溫濕光采集

溫度、濕度、光照強度是節(jié)點所處地理位置的比較基礎(chǔ)也是比較重要的信息.獲取這些數(shù)據(jù)也有利于后期的分析判斷.例如,溫度可以判斷節(jié)點是否過熱,提醒是否需要關(guān)斷,也可以判斷出室內(nèi)是否開了空調(diào);濕度可以判斷室內(nèi)空氣是否干燥,提醒是否需要開加濕器;光照強度可以判斷是否開了燈等.

表1　初始化字節(jié)與執(zhí)行功能

由于溫濕傳感器是 Sensirion公司的SHT11,光敏傳感器是Hamamatsu公司的S1087和S1087-01,所以nesC語言編程用到的組件分別是SensirionSht11C()和HamamatsuS1087ParC().讀取傳感器數(shù)值都是使用Read()接口,要讀取對應(yīng)的傳感器數(shù)值只需將Read()線配到相應(yīng)組件.

設(shè)定了3個每4 s周期觸發(fā)一次的定時器Timer1,Timer2,Timer3,觸發(fā)后分別執(zhí)行讀溫度、讀濕度、讀光照強度的命令,讀取成功后分別賦給變量temp,hum,photo.

2.3電能信息采集

電壓、電流、有功功率、用電量這4組數(shù)據(jù)是系統(tǒng)設(shè)計的核心.由于TelosB節(jié)點無法直接讀取,因此設(shè)計了外接電能采集硬件電路,兩者之間通過UART串口通信.外接電路做到了TelosB給出一個命令,它會立即做出相應(yīng)的反饋,具體見表2.

由此,設(shè)計了單片機周期性向UART串口發(fā)送命令和接受來自串口數(shù)據(jù)的機制,圖3中的電能采集部分程序流程見圖4.

表2　電能數(shù)據(jù)字節(jié)

注:b[0],b[1],b[2],b[3]—該數(shù)據(jù)的第1個、第2個、第3個、第4個字節(jié).

圖4　電能采集程序流程示意

根據(jù)圖3和圖4,使用nesC編程語言實現(xiàn).此外,由于程序運行過程中易受計量模塊等電磁干擾,因此加入了看門狗程序語句:

WDTCTL=WDT_ARST_1000

這樣可以使程序穩(wěn)定運行.

2.4信息發(fā)送組網(wǎng)

程序?qū)⑺杉降臏囟取穸?、光照、電壓、電流、有功功率和用電量以十六進制字節(jié)組成數(shù)據(jù)幀.一幀共有55個字節(jié),還包括:開頭標(biāo)志位;目標(biāo)地址(這里是以廣播的方式發(fā)送);數(shù)據(jù)幀的長度;節(jié)點ID;發(fā)包次數(shù);父節(jié)點ID;固定字節(jié)(CA FE);經(jīng)過的跳數(shù);校驗位;結(jié)尾標(biāo)志位等.舉例如圖5所示.

節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)封裝,并通過CC2420無線收發(fā)模塊向外發(fā)送,組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò).本系統(tǒng)是面向家庭使用,采用比較簡單的CTP協(xié)議,以廣播方式傳送.末端節(jié)點采集到數(shù)據(jù)封裝發(fā)送給其父節(jié)點;其父節(jié)點收到這條數(shù)據(jù)后將自己的ID寫入該數(shù)據(jù)的父節(jié)點ID位(第23位和第24位),并使跳數(shù)(第29位)加1,該父節(jié)點自己也將采集數(shù)據(jù),一并封裝后再發(fā)送給自己的父節(jié)點,即父節(jié)點的父節(jié)點;新的父節(jié)點對于子節(jié)點采集來的數(shù)據(jù)同樣寫入自己ID和增加跳數(shù),但是對于子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)(即子節(jié)點的子節(jié)點)只增加跳數(shù).即每一條數(shù)據(jù)的父節(jié)點ID固定,而跳數(shù)隨轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的增加而增加.如此,數(shù)據(jù)傳遞至與PC連接的匯聚節(jié)點.

3終端顯示設(shè)計與調(diào)試

匯聚節(jié)點通過USB直接連接PC,其他節(jié)點產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)最終都將由它經(jīng)串口模塊傳遞至PC.這些信息全是一串串十六進制數(shù)據(jù)幀,如圖5所示.用戶無法直接讀取這些信息,由此,本系統(tǒng)使用C#設(shè)計了終端顯示程序.

經(jīng)過多次校驗,得出字節(jié)與實際值的換算公式,見表2.

在匯聚節(jié)點已連接上PC時,打開終端顯示程序,進行監(jiān)控.主界面左邊以列表的形式顯示了各節(jié)點實時的溫度、濕度、光照、電壓、電流、功率、用電量、功率因數(shù)的數(shù)據(jù),右邊以按鈕的紅或綠色直觀顯示了各節(jié)點的通斷情況.增加了ZedGraph控件,點擊按鈕可以顯示一段時間內(nèi)溫度、濕度、光照、電壓、電流和功率6組數(shù)據(jù)的變化曲線圖.圖6為監(jiān)測系統(tǒng)主界面,其中的3組數(shù)據(jù)分別展示了飲水機(13,待機)、節(jié)能燈(14)和空調(diào)(15,待機)運行狀態(tài).

此外可切換至地圖模式.在預(yù)先設(shè)定好經(jīng)緯度的情況下能夠在百度地圖上顯示各節(jié)點的位置情況,以及某一組數(shù)據(jù)(比如電壓,可切換)的實時數(shù)據(jù).根據(jù)上述的CTP協(xié)議的特性,設(shè)計以兩節(jié)點之間連接一條直線的形式實時顯示數(shù)據(jù)的傳輸路徑.

使用SQL Server 2005設(shè)計了數(shù)據(jù)庫以存儲歷史數(shù)據(jù),涵蓋了7組數(shù)據(jù)和時間、功率因數(shù)、節(jié)點ID共10個字段.

圖7展示了一定范圍內(nèi)少量節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)和電壓數(shù)據(jù)情況.由圖7可以看出,系統(tǒng)能準(zhǔn)確反應(yīng)電器的的實際運行狀態(tài),從而證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性.

圖5　十六進制數(shù)據(jù)幀舉例

圖6　監(jiān)測系統(tǒng)主界面

圖7　地圖模式下監(jiān)測系統(tǒng)界面

4結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種電能能耗實時監(jiān)測系統(tǒng),從硬件采集到軟件開發(fā)再到終端處理,均做了比較詳細(xì)的說明.所使用到的物聯(lián)網(wǎng),TinyOS,nesC,C#語言,RN8209G芯片,TelosB節(jié)點等軟硬件技術(shù)都是當(dāng)前比較熱門的技術(shù),也體現(xiàn)了它們的優(yōu)點.通過組網(wǎng)調(diào)試,對系統(tǒng)的運行及對輸出數(shù)據(jù)的觀測,驗證了節(jié)點設(shè)計的有效性.

系統(tǒng)的設(shè)計工作還有需要完善的地方.下一步將對節(jié)點的無線路由協(xié)議進行優(yōu)化,使其在通信過程中的能耗更低,更適宜在室內(nèi)通信.并將在節(jié)點中加裝繼電器,在PC上發(fā)布命令通過逆向傳輸路徑控制節(jié)點的關(guān)斷,實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由單向數(shù)據(jù)傳輸變?yōu)殡p向數(shù)據(jù)交換.

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(編輯白林雪)

Design and Implementation of Electricity Consumption Real-time Monitoring System

WENG Tongyanga,b, LIU Damingb, BI Zhongqinb

(a.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,b.SchoolofComputerScienceandTechnology,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Abstract:With the development of the smart grid,user side has a higher and higher requirement for the power consumption monitoring of device.In order to monitor the use of electric energy in real time,an electricity consumption real-time monitoring system is designed,which is based on Sensor Network Wireless(WSN)technology.Firstly the hardware of the system adopts the RN8209G metering chip + TelosB node,and then the C# terminal display + nesC programming language of TinyOS operating system are applied in the software.The node object is designed as a socket type,so that the real-time monitoring of the user’s power can be accomplished.

Key words:electricity consumption; real-time monitoring; wireless sensor networks; TinyOS system

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.02.019

收稿日期：2015-09-21

作者簡介：通訊翁同洋(1991-),男,在讀碩士,安徽六安人.主要研究方向為電能監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù).E-mail:wtyky@qq.com.

中圖分類號：

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-4729(2016)02-0203-07