滕志軍,張 力,宋 銳,陳宇紅,井梓鑒,劉長銀,侯學(xué)艷,侯艷權(quán)

(1.東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)吉林供電公司信息通信分公司,吉林 吉林 132011;3.國網(wǎng)七臺(tái)河供電公司,黑龍江 七臺(tái)河 154600)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能用電在線監(jiān)控系統(tǒng)*

滕志軍1*,張 力1,宋 銳2,陳宇紅2,井梓鑒2,劉長銀3,侯學(xué)艷3,侯艷權(quán)3

(1.東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)吉林供電公司信息通信分公司,吉林 吉林 132011;3.國網(wǎng)七臺(tái)河供電公司,黑龍江 七臺(tái)河 154600)

針對(duì)傳統(tǒng)建筑中由于電氣線路接觸不良、過載等易引發(fā)火災(zāi),提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑電氣安全監(jiān)控系統(tǒng),可動(dòng)態(tài)設(shè)置智能插座的功率閾值,若超過閾值時(shí),插座自動(dòng)斷開電源,以避免過載或影響同一分支電路的其他設(shè)備。測試結(jié)果表明,系統(tǒng)對(duì)過載反應(yīng)快速準(zhǔn)確,工作穩(wěn)定可靠。該監(jiān)控系統(tǒng)安裝調(diào)試簡便,可有效保障用電安全,具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);用電;監(jiān)控;功率;智能節(jié)點(diǎn)

世界上第1座智能建筑是1984年在美國哈特福德建立的“都市辦公大樓”。在我國,智能建筑從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)入了快速發(fā)展階段。這些發(fā)展,為人們提供了一個(gè)高效、舒適、便利的人性化建筑環(huán)境。因此智能建筑是社會(huì)發(fā)展的產(chǎn)物,其智能化的程度也必然隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而得到逐步地提高[1-2]。

智能建筑是以控制技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及傳感器技術(shù)等高新技術(shù)為基礎(chǔ),利用各種電力電子設(shè)備構(gòu)成智能化系統(tǒng),完成相應(yīng)智能控制功能。它包括通訊系統(tǒng),電力消耗監(jiān)測,設(shè)備的遠(yuǎn)程開/關(guān)控制,超載保護(hù)和能源管理等功能[3-4]。在監(jiān)控和樓宇控制電力系統(tǒng)研究中,電源插座是電力電子設(shè)備的一部分,并且目前在這方面已經(jīng)開展了許多有益的研究和嘗試,已逐漸成為智能建筑核心電源管理的主要焦點(diǎn)。

本文提出的基于ZigBee的智能用電監(jiān)控系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的功率參數(shù)和智能超載保護(hù),有效提高建筑電氣的安全性。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的,涉及組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通常可以劃分為全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)兩種類型。ZigBee主要采用3種組網(wǎng)方式:星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng),具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本和較高的安全性等優(yōu)點(diǎn),還可支持大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)操作,主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的數(shù)據(jù)傳輸[5-9]。它本身的特點(diǎn)使其適用于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于ZigBee的智能用電監(jiān)控系統(tǒng)由智能節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和樓宇監(jiān)控中心3個(gè)部分組成(如圖1所示)。ZigBee節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)方式為星形結(jié)構(gòu),匯聚節(jié)點(diǎn)和智能節(jié)點(diǎn)之間采用輪詢的方式獲取電氣參數(shù)值。在該系統(tǒng)中智能節(jié)點(diǎn)通過測量電流和電壓,以監(jiān)測插座的實(shí)時(shí)用電信息,經(jīng)ZigBee傳送數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)智能節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù),計(jì)算分支電路的總電流,與額定電流對(duì)比得出剩余安全電流值,作為智能節(jié)點(diǎn)超載保護(hù)的閾值。當(dāng)分支電路的某個(gè)節(jié)點(diǎn)電氣設(shè)備過載后,智能節(jié)點(diǎn)將及時(shí)切斷電源,防止過載及更嚴(yán)重事故發(fā)生。

圖2 智能節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 智能節(jié)點(diǎn)

智能節(jié)點(diǎn)由電源模塊、功率控制模塊、智能節(jié)點(diǎn)控制器以及ZigBee模塊等4部分組成(如圖2)。智能節(jié)點(diǎn)的主要功能如下:(1)測量功率參數(shù),如電壓、電流;(2)控制插座的輸出功率;(3)過載時(shí)的安全保護(hù);(4)通過ZigBee傳輸每個(gè)節(jié)點(diǎn)的用電信息。

3.1.1 電源模塊

本系統(tǒng)采用可充電的鋰電池進(jìn)行供電。CC2530模塊的工作電壓范圍為2.0 V～3.6 V。因此需要一個(gè)DC-DC,它的作用就是將電池電壓降到CC2530芯片可以工作的范圍內(nèi)。U2選用TI的TPS76930作為穩(wěn)壓器件,其電路如圖3所示。

圖3 電源模塊電路

3.1.2 功率檢測模塊

功率檢測主要由電流傳感器和電壓傳感器組成的外圍電路來完成,功率檢測模塊通過智能節(jié)點(diǎn)控制器中的串行外設(shè)接口SPI與S3C2410A相連接。電流傳感器采用GY-712,其可在-40 ℃和85 ℃環(huán)境中工作,所測出的電流范圍為-30 A～30 A,因此在本文設(shè)計(jì)中采用該型號(hào)電流傳感器;電壓傳感器的選擇LV25-p,可同時(shí)測量交直流電壓,具有10 V～500 V的額定工作電壓,抗干擾能力強(qiáng)、低溫度漂移、高帶寬、高精度等優(yōu)點(diǎn)。

3.1.3 智能節(jié)點(diǎn)控制器

智能節(jié)點(diǎn)控制器是一種低成本8位高性能微控制器,它包含內(nèi)置的UART,SPI和一般目的輸入輸出(GPIO),充分滿足了智能節(jié)點(diǎn)的功能需求。其中串行外設(shè)接口SPI與功率檢測模塊相連,通用異步接收器(UART)接口與ZigBee模塊相連,GPIO接口與LED顯示相連。該控制器周期性地提取電壓、電流、功率值,智能節(jié)點(diǎn)的電流是由匯聚節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)設(shè)置的,取決于分支電路的負(fù)載情況。當(dāng)測得的電流超過智能節(jié)點(diǎn)的保護(hù)電流值時(shí),控制器將會(huì)減少插座的輸出功率。

3.1.4 ZigBee模塊

ZigBee模塊采用基于Z-STACK協(xié)議棧的高性能芯片CC2530芯片。該芯片集成了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器,具有高精確度的數(shù)字化RSSI/LQI,支持8 bit輸入和可配置分辨率的12 bit ADC、AES安全協(xié)處理器、2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART、32 kHz睡眠定時(shí)器、IR發(fā)生電路、強(qiáng)大的5通道DMA等。CC2530具有不同的低功耗模式,可滿足不同低功耗需求[9-13]。

在ZigBee模塊中,傳輸功率決定節(jié)點(diǎn)之間的有效傳輸距離。ZigBee可以支持樹形或網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),將網(wǎng)絡(luò)中的一些節(jié)點(diǎn)設(shè)置為路由器的功能,可以有效克服在同一平面?zhèn)鞑サ膯栴}。因此,ZigBee通信應(yīng)用到建筑中是沒有傳輸距離的限制。

3.1.5 LED指示燈

為了讓用戶能夠直觀監(jiān)視到插座的工作狀態(tài),設(shè)置3個(gè)指示LED燈,分別表示正常供電,低容量指示和由于過載切斷電源保護(hù)的3種狀態(tài)(表1)。正常供電時(shí),LED1燈亮。在低功率容量狀態(tài)下,LED2燈亮,警告用戶不要使用大功率電器。當(dāng)過壓時(shí),LED3燈亮。

表1 LED燈的狀態(tài)

3.2 匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)是所有分支電路的監(jiān)測和控制中心,用于外部通信和用戶接口。其主要實(shí)現(xiàn)執(zhí)行控制指令并監(jiān)測智能節(jié)點(diǎn)功率消耗的功能。匯聚節(jié)點(diǎn)主要由一個(gè)微控制器(ARM)、LCD模塊以及ZigBee模塊3部分構(gòu)成。ZigBee 模塊通過通用異步接收器(UART)接口與ARM相連,LCD模塊連接在ARM的并行主端口(PMP)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)接口處。電路結(jié)構(gòu)圖如圖4。

圖4 匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)原理圖

3.2.1 ARM微處理器模塊

ARM微處理器模塊選用三星公司生產(chǎn)的S3C2410A芯片,使用了ARM公司的ARM920T內(nèi)核,采用了稱為AMBA(Advanced MicroCon-troller Bus Architecture,先進(jìn)微處理器總線結(jié)構(gòu))的總線結(jié)構(gòu),增加了主從模塊連接的便利性。S3C2410A集成了各種模塊,其內(nèi)部包含兩個(gè)從處理器、16 KB的數(shù)據(jù)快速緩存區(qū)和16 KB的指令快速緩存區(qū);在對(duì)外通信方面該微處理器有3個(gè)3通道通用異步收發(fā)器、2通道串行外設(shè)接口、USB主控器等模塊。

3.2.2 LCD模塊

LCD模塊包括LCD控制器和TFT-LCD 觸控面板。LCD控制器通過PMP接口從ARM接收電氣參數(shù)信息之后,立即傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此外,該系統(tǒng)通過觸摸傳感器來選擇LCD顯示器。與接觸式傳感器技術(shù)相比,本系統(tǒng)具有簡單方便,穩(wěn)定性能好的特點(diǎn)。觸摸傳感器是4線電阻式觸摸傳感器,與ADC模塊相連。ADC模塊發(fā)送測試電壓,讀取觸摸屏的信號(hào),根據(jù)信號(hào)計(jì)算出面板上的觸摸位置。

3.3 樓宇監(jiān)控中心

樓宇監(jiān)控中心包括主機(jī)和存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫等,具有歷史數(shù)據(jù)查詢和打印輸出等功能。樓宇監(jiān)控中心主機(jī)可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中各分支電路中智能節(jié)點(diǎn)的功率參數(shù)(電壓、電流和功率),并將監(jiān)控的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 智能節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,從集成電路中讀取功率參數(shù),然后判斷是否過壓,若過壓,則斷開繼電器,否則設(shè)置LED燈,繼續(xù)讀取功率。過壓斷開繼電器后,設(shè)置LED,將信息傳送到匯聚節(jié)點(diǎn),接著對(duì)故障是否清除進(jìn)行判斷,若清除,繼電器閉合,否則繼續(xù)傳送信息到匯聚節(jié)點(diǎn)(流程圖如圖5所示)。

圖5 智能節(jié)點(diǎn)的程序流程圖

4.2 匯聚節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,隨之判斷是否接收到指令,若接收,分析檢查指令,從輸出節(jié)點(diǎn)收集功率信息,計(jì)算支路的總功率。接下來繼續(xù)判斷下一支路,最后顯示節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)(具體流程如圖6所示)。

圖6 匯聚節(jié)點(diǎn)的程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)可行性,在吉林市某小區(qū)進(jìn)行測試。該系統(tǒng)有一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)并且管理兩個(gè)分支電路,其中一支路包含3個(gè)智能節(jié)點(diǎn),二支路包含兩個(gè)智能節(jié)點(diǎn)。每個(gè)分支電路的標(biāo)準(zhǔn)電壓是220 V,電流保護(hù)值設(shè)定為10 A,相應(yīng)的額定功率為2 200 W。采用面向?qū)ο蟮腝t Creator遠(yuǎn)程顯示結(jié)果,樓宇監(jiān)控中心的監(jiān)測界面如圖7所示,一支路的第2個(gè)智能節(jié)點(diǎn)電流為零,繼電器已自動(dòng)切斷電源,另兩個(gè)繼電器閉合,但總功率不超過額定功率;二支路的兩個(gè)智能節(jié)點(diǎn)繼電器均閉合,同樣不超過額定功率。

圖7 系統(tǒng)用戶界面

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于ZigBee的智能電氣安全監(jiān)控系統(tǒng),在樓宇監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)智能建筑的功率實(shí)時(shí)檢測、更新功率閾值和自動(dòng)斷電等功能。通過在居民小區(qū)實(shí)際測試,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,能夠及時(shí)對(duì)超載線路實(shí)現(xiàn)斷路處理,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的缺陷,有效保障了居民的用電安全。

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IntelligentPowerOn-lineMonitoringSystemBasedonWirelessSensorNetwork*

TENGZhijun1*,ZHANGLi1,SONGRui2,CHENYuhong2,JINGZijian2,LIUChangyin3,HOUXueyan3,HOUYanquan3

(1.Department of Information Engineering,Northeast Electric Power University,Jilin Jilin 132012,China;2.State Grid JiLin Power Supply Company Comunication Branch,Jilin Jilin 132011,China;3.State Grid Qitaihe Electric Power Supply Company,Qitaihe Heilongjiang 154600,China)

In the traditional architecture the electrical line is bad,overload and easy to cause a fire,an intelligent building electrical safety monitoring system has been proposed based on wireless sensor networks,and a smart outlet power threshold dynamically set up. If the threshold is exceeded,socket will automatically disconnect the power immediately in order to avoid overload or affect other devices on the same branch circuit. The test results show that the system overload responses quickly and accurately,it works stable and reliable. The monitoring system installation is simple and can effectively protect the safe use of electricity and it has a high application value.

wireless sensor network;power;monitoring;power;smart node

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.045

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51277023)

2016-09-05修改日期2017-01-03

TN92

A

1005-9490(2017)06-1567-04

滕志軍(1973-),男,漢族,吉林省吉林市,教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要從事無線通信技術(shù)研究,tengzhijun@163.com;

張力(1993-),女,漢族,吉林省長春市,碩士研究生,主要從事無線通信技術(shù)研究,1030758805@qq.com。