基于WSN架構(gòu)的企業(yè)級(jí)用戶用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬斐 雷景生

摘要

為了實(shí)現(xiàn)電力用電信息的智能化監(jiān)測(cè)與管理，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于樹(shù)莓派卡片計(jì)算機(jī)和電能計(jì)量芯片RN8209G的智能用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有智能電能采集、用電監(jiān)測(cè)和能耗管理等功能。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了硬件功能測(cè)試和組網(wǎng)通信測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)遠(yuǎn)程用電監(jiān)測(cè)功能并具有良好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 樹(shù)莓派 電能監(jiān)測(cè) RN8209G

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，由無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息進(jìn)行協(xié)作感知、采集和處理，并發(fā)送給監(jiān)測(cè)者.本文中提到的用戶監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由以通訊為目的、大量的、小型以及微型數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成，具有動(dòng)態(tài)性、適應(yīng)性和分布處理能力，適用于智能用電監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)，并基于一個(gè)電能監(jiān)測(cè)WSN網(wǎng)絡(luò)，來(lái)實(shí)現(xiàn)WSN協(xié)議向TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換，以及實(shí)現(xiàn)個(gè)人訪問(wèn)遠(yuǎn)端服務(wù)器的功能。現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展日新月異，WSN（無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）作為綜合了傳感器、無(wú)線通信、及嵌入式技術(shù)等3大技術(shù)的熱門(mén)通信領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)人與自然物以及物與物對(duì)話的無(wú)處不在的通訊和計(jì)算。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)和家庭使用的是單項(xiàng)或電子式電能表，其處理能力有限、可操作性差、信息存儲(chǔ)少，只能讀出用電量總和，無(wú)法對(duì)各種用電設(shè)備的能耗信息進(jìn)行區(qū)分，無(wú)法滿足用戶想了解某個(gè)用電設(shè)備能耗信息的要求，無(wú)法解決規(guī)模化用電用戶構(gòu)成的群體集中監(jiān)控問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為電能信息的采集提供了新思路，物聯(lián)網(wǎng)集成了感知、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，使人與人、人與物、物與物之間的交流成為可能。

本文結(jié)合當(dāng)前熱門(mén)的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于樹(shù)莓派（Raspberry）的用戶用電監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)測(cè)試.利用用電信息采集節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的電能信息采集、監(jiān)測(cè)用戶用電設(shè)備的電壓、電流及負(fù)載功率、累計(jì)用電量等信息，并通過(guò)無(wú)線Wi-Fi模塊將獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送至指定的云平臺(tái)服務(wù)器，為后續(xù)的用戶側(cè)用電行為分析提供更加充足的數(shù)據(jù)源，可以有效提升用戶用電感知體驗(yàn)度。

1 系統(tǒng)總體方案

整個(gè)系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)WSN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與樹(shù)莓派相連，在每個(gè)單元樓配置一臺(tái)監(jiān)控主機(jī)，通過(guò)Web架構(gòu)實(shí)現(xiàn)WSN架構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，匯總各采集節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)用戶用電的集中化管理。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

電能采集節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)要保證采集數(shù)據(jù)精度高、可靠性強(qiáng)，同時(shí)又要盡可能采用體積小、成本低的芯片。電能采集節(jié)點(diǎn)的采樣芯片采用銳能微公司出品的電能計(jì)量芯片RN8209G，RN8209G能夠測(cè)量有功功率、有功能耗，并能同時(shí)提供電流有效值、電壓有效值、線頻率、過(guò)零中斷等采集數(shù)據(jù)信息RN8209G共有三路ADC，分別用于相線電流、零線電流和電壓采樣。RN8209G提供兩個(gè)串行接口SPI和UART，本設(shè)計(jì)使用UART通用異步串行口與Wi-Fi無(wú)線模塊連接，UART通信硬件上只需兩根線，一根用于發(fā)送（TX），一根用于接收（RN），便可實(shí)現(xiàn)與 WIFI模塊之間的數(shù)據(jù)通訊。采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì)將220V交流電經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓集成電路變壓、整流和濾波后輸出直流5V輸入下一級(jí)采樣電路，最后通過(guò)降壓芯片SPX1117來(lái)實(shí)現(xiàn)5V到3.3V的電壓轉(zhuǎn)換，確保為整個(gè)節(jié)點(diǎn)電路各功能模塊提供穩(wěn)定的電源輸入。

節(jié)點(diǎn)Wi-Fi通訊模塊選用漢楓HF-A11，該型號(hào)Wi-Fi模塊支持TCP/IP/UDP三種模式的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，支持STA/AP/AP+STA三種工作模式，可通過(guò)AT+指令集或web網(wǎng)頁(yè)對(duì)Wi-Fi模塊進(jìn)行參數(shù)配置;HF-A11最多支持32個(gè)TCP連接，極大豐富了無(wú)線連接設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口資源。節(jié)點(diǎn)Wi-Fi在空曠區(qū)域有效無(wú)線傳輸距離大致為25米，穿過(guò)障礙物的有效距離約10米，所有數(shù)據(jù)最后匯聚傳入樹(shù)莓派，其傳輸性能足以滿足家庭級(jí)及小型商業(yè)用戶的需求，Wi-Fi模塊作為透明傳輸通道，可以實(shí)現(xiàn)將樹(shù)莓派傳來(lái)的指令發(fā)送給計(jì)量模塊，同時(shí)把計(jì)量模塊采集到的電能數(shù)據(jù)信息發(fā)送至云端服務(wù)器。

控制器選取樹(shù)莓派3B作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集匯聚單元，將每隔5s各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，發(fā)送到遠(yuǎn)端服務(wù)器。數(shù)莓派3B型構(gòu)建在最新博通2837 ARMv8 64位處理器上，采用1.2GHz、四核工藝，1GB RAM，與其上一代相比，速度更快;4個(gè)USB端口、40針擴(kuò)展GPIO端口，拓展功能更強(qiáng)大，憑借其內(nèi)置的無(wú)線和藍(lán)牙連接，它將成為支持物聯(lián)網(wǎng)的理想解決方案。其操作平臺(tái)以Python作為主要編程語(yǔ)言，支持Java、BBC BASIC、C和Perl等編程語(yǔ)言.其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、可擴(kuò)展性以及便攜性，為電力監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供了新的解決思路和理念。在本設(shè)計(jì)中通過(guò)樹(shù)莓派實(shí)現(xiàn)了電能監(jiān)測(cè)的WSN無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制端與各設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)包含各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的電壓、電流、功率、電量及數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂降刃畔?

1.2 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)，主要起著控制節(jié)點(diǎn)采集，上傳采集數(shù)據(jù)等作用，程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。系統(tǒng)上電后，首先要對(duì)RN8209G系統(tǒng)初始化和配置，然后樹(shù)莓派通過(guò)訪問(wèn)RN8209G的串口引腳讀取芯片的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)封裝后發(fā)送給基站，如果接收到服務(wù)器傳來(lái)的數(shù)據(jù)接收超時(shí)標(biāo)志并顯示異常狀態(tài)標(biāo)識(shí)，系統(tǒng)則直接自動(dòng)重啟初始化程序。

1.3 服務(wù)器搭建及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖4）中，樹(shù)莓派作為控制單元部分，以多線程模式設(shè)置TCP協(xié)議下的套接字服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收發(fā)。通過(guò)檢測(cè)待發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性，下一步通過(guò)對(duì)各個(gè)通訊設(shè)備端口是否連接進(jìn)行詢問(wèn)，確認(rèn)連接后發(fā)出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。雖然樹(shù)莓派基于Linux系統(tǒng)，但基于TCP協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以適用于各個(gè)操作系統(tǒng)終端下的接收，因此具有一定的兼容性和靈活性。若沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行永久存儲(chǔ)的需要，即無(wú)其他終端訪問(wèn)時(shí)，用于數(shù)據(jù)發(fā)送的緩存中的數(shù)據(jù)則會(huì)被定時(shí)清空。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為保證節(jié)點(diǎn)具有較高的計(jì)量精度以及傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，在室內(nèi)環(huán)境下，對(duì)10個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了集中測(cè)試，分別進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)計(jì)量準(zhǔn)確度測(cè)試（表1）和組網(wǎng)通信測(cè)試（表2）。為了測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，利用標(biāo)準(zhǔn)表和萬(wàn)用表分別對(duì)筆記本電腦負(fù)載、飲水機(jī)負(fù)載進(jìn)行了24小時(shí)測(cè)試，與節(jié)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)比較如表1所示。通過(guò)比較結(jié)果得出，設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)表所測(cè)數(shù)據(jù)誤差不超過(guò)±0.5%，測(cè)量精度滿足0.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

智能控制用電監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程用電監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)反映用戶用電狀況，以期達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控和合理用電的目的。基于樹(shù)莓派卡片計(jì)算機(jī)和電能計(jì)量芯片RN8209G的智能用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)電流、電壓和用電量等電能數(shù)據(jù)的采集、傳輸與監(jiān)測(cè)。通過(guò)上位機(jī)軟件可以對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。在5mx8m范圍的室內(nèi)環(huán)境下部署的10個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了電能計(jì)量測(cè)試和組網(wǎng)通信距離測(cè)試，結(jié)果表明，平均200個(gè)數(shù)據(jù)包丟包8個(gè)即丟包率不超過(guò)5%，計(jì)量精度滿足0.5級(jí)，該系統(tǒng)的用電監(jiān)測(cè)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

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