基于ZigBee的智能用電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮明卿，陳亞琨，王一妹

（鄭州電力高等?？茖W(xué)校，河南鄭州，450001）

1 ZigBee簡(jiǎn)介

ZigBee射頻網(wǎng)絡(luò)通信是一種新興的可以利用各種短距離、低功耗成本和高功耗、低成本和高數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、低成本、低數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信復(fù)雜度的新型利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)射頻通信通訊技術(shù)。其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基本結(jié)構(gòu)最初是為了充分參考符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的新型利用開放無(wú)線通信技術(shù)系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互連射頻網(wǎng)絡(luò)通信模型而對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的,主要基本結(jié)構(gòu)部分包括物理層、媒質(zhì)訪問(wèn)控制系統(tǒng)管理層、網(wǎng)絡(luò)層和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序控制層。

2 智能用電管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如軟件圖1所示。需要在每個(gè)高校學(xué)生宿舍的本地中心電能系統(tǒng)控制管理表內(nèi)，分別重新安裝一個(gè)RF的本地通信電能控制管理模塊,從而組成一個(gè)全新的本地ZigBee本地通信控制節(jié)點(diǎn),然后在高校的每棟學(xué)生樓的宿舍樓上都會(huì)分別有一個(gè)新的本地ZigBee通信節(jié)點(diǎn)來(lái)作為新的中心電能控制管理節(jié)點(diǎn),而這個(gè)節(jié)點(diǎn)與每個(gè)本地中心電能控制管理節(jié)點(diǎn)之間，就會(huì)分別組成一個(gè)本地中心電能管理控制表的管理網(wǎng)絡(luò),而中心電能控制管理節(jié)點(diǎn)就會(huì)通過(guò)本地電能校園網(wǎng)與本地電能管理表的中心監(jiān)控微機(jī)進(jìn)行通信相連。通過(guò)這種方式本地電能管理表的中心監(jiān)控微機(jī)，便可以通過(guò)電能控制管理網(wǎng)絡(luò)來(lái)向每個(gè)本地電能管理表控制節(jié)點(diǎn)，去分別實(shí)施實(shí)時(shí)自動(dòng)抄錄電能報(bào)表和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集管理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如軟件圖

2.2 系統(tǒng)功能

(1)系統(tǒng)實(shí)施用電定時(shí)預(yù)付費(fèi)制;采用先交錢后用電的模式，當(dāng)電即將用完的時(shí)候會(huì)根據(jù)其情況發(fā)出警報(bào)。

(2)在學(xué)校實(shí)施用戶限電制度管理;在學(xué)校宿舍樓實(shí)行限電，既能保證節(jié)約用電還能做好用電安全。

(3)每個(gè)特定用戶設(shè)備電能自動(dòng)識(shí)別樣本表都應(yīng)具有一個(gè)功能自動(dòng)地對(duì)進(jìn)行不可惡性化的特定負(fù)載進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。

(4)發(fā)現(xiàn)用戶實(shí)際用電負(fù)載功率不足或超過(guò)電表管理職能部門為其自行設(shè)計(jì)的供電限定負(fù)載功率時(shí),電表正常進(jìn)行供電。

3 智能電能表硬件設(shè)計(jì)

電能管理控制電路表是由智能電源管理主控制負(fù)載管理系統(tǒng)模塊、惡性智能電源管理負(fù)載計(jì)量并行自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)控制管理模塊、電能電源管理負(fù)載計(jì)量系統(tǒng)控制管理模塊、電源模塊、顯示系統(tǒng)控制管理模塊、射頻網(wǎng)和無(wú)線通信系統(tǒng)控制管理模塊以及存儲(chǔ)模塊七個(gè)大部分共同設(shè)計(jì)組成。其中電源主控制管理模塊上則選用AT89S52,存儲(chǔ)器控制模塊上則選用24C64。

3.1 電能計(jì)量模塊電路

能量式電流計(jì)量方法取樣器是選擇器的ADE7755,計(jì)量方式取樣器的電路結(jié)構(gòu)如下如下如圖2所示:當(dāng)其通過(guò)一個(gè)電流計(jì)量取樣電路信號(hào)輸出電阻電路中的R0把與之的一個(gè)電流計(jì)量取樣電路信號(hào)電阻進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換后它就成為一個(gè)電流計(jì)量取樣電路信號(hào)內(nèi)阻電壓降是加在AD7755的一個(gè)V1輸入輸出端,與接在線上的電壓輸出成正比的信號(hào)電壓后將信號(hào)電流加在線的V2輸入輸出端,V1、v 2兩兩個(gè)輸入端的信號(hào)模擬量,經(jīng)過(guò)內(nèi)部?jī)?yōu)化處理后就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)常數(shù)為3200mp/kwh(高頻脈沖數(shù)/千瓦小時(shí))的高頻信號(hào)脈沖從線的CF端輸出,該高頻脈沖生成信號(hào),經(jīng)過(guò)一個(gè)光電耦合器之后送入微微單片機(jī)的P3.4端進(jìn)行計(jì)量。

圖2 計(jì)量方式取樣器的電路結(jié)構(gòu)圖

3.2 惡性負(fù)載檢測(cè)電路模塊

惡性電子設(shè)備上的負(fù)載(具體例如說(shuō)例如家用燃煤電爐、電暖器、電熱毯等)，一般來(lái)說(shuō)是一類用于線性電子設(shè)備上的負(fù)載,而這種類型的線性設(shè)備負(fù)載一般僅僅通過(guò)交流穩(wěn)壓電阻電子元件直接組成,幾乎不可能完全包含通過(guò)交流穩(wěn)壓電容等線性電子元件,所以其直接發(fā)出輸入，然后通過(guò)一系列的比對(duì)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)通過(guò)交流穩(wěn)阻電壓穩(wěn)定脈動(dòng)時(shí)的波形與直接發(fā)出輸入交流穩(wěn)壓脈動(dòng)電流穩(wěn)定脈動(dòng)時(shí)的波形在基本結(jié)構(gòu)以及形狀上一般應(yīng)該是一致的。然而通過(guò)對(duì)一些計(jì)算機(jī)、電視機(jī)之類的非線性電子設(shè)備上負(fù)載的觀察,也不難發(fā)現(xiàn)在這類線性設(shè)備負(fù)載下的集成電路中一般基本不會(huì)發(fā)現(xiàn)有通過(guò)交流穩(wěn)壓電容穩(wěn)定電源波的存在,這樣就可能使得線性負(fù)載集成電源只有在發(fā)出輸入電壓高于通過(guò)交流穩(wěn)壓電容穩(wěn)定交流電壓時(shí)電源才能正常做功,這樣一來(lái)就會(huì)導(dǎo)致直接發(fā)出輸入交流穩(wěn)壓穩(wěn)定電流脈動(dòng)波形也會(huì)發(fā)生較大脈動(dòng)畸變,所以對(duì)于這類交流負(fù)載線性設(shè)備來(lái)說(shuō),雖然直接發(fā)出輸入的電壓高于通過(guò)交流穩(wěn)定值的電壓脈動(dòng)波形一般是一個(gè)正或負(fù)弦形的脈動(dòng)波形,但其直接發(fā)出輸入電壓高于通過(guò)交流電容穩(wěn)壓穩(wěn)定電流的一個(gè)正弦脈動(dòng)波形卻嚴(yán)重地會(huì)發(fā)生較大畸變,呈一個(gè)短波形的脈沖狀。利用這一技術(shù)特點(diǎn),通過(guò)對(duì)不同電流圖型波形圖進(jìn)行各種周期性測(cè)量采樣,求出不同電流圖型波形在正半周內(nèi)的圖形面積,利用不同電流負(fù)載上的對(duì)應(yīng)不同電流圖型波形正半周內(nèi)的面積不同這一基本原理方法來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別不同負(fù)載。

4 智能電能表軟件設(shè)計(jì)

電能電壓表顯示軟件由電能主程序、電能顯示計(jì)量控制程序、顯示射頻程序、通信報(bào)警程序、惡性電源負(fù)載電能識(shí)別檢測(cè)程序、報(bào)警識(shí)別程序等部分組成。

4.1 主程序流程

圖3 主程序工作流程圖

主程序工作流程如下的圖3所示,當(dāng)用戶設(shè)定了計(jì)量限電與不限量允許惡性使用負(fù)載時(shí),電能萬(wàn)用表計(jì)量檢測(cè)器向用戶檢查是否發(fā)現(xiàn)用電次數(shù)超限或檢測(cè)是否發(fā)現(xiàn)有惡性用電負(fù)載時(shí)并識(shí)別用電信號(hào),如發(fā)現(xiàn)用電次數(shù)超限或有惡性用電負(fù)載時(shí)自動(dòng)報(bào)警,10s后再次進(jìn)行檢測(cè),如發(fā)現(xiàn)違規(guī)沒(méi)有被取消則自動(dòng)斷電5min。如果無(wú)任何違規(guī)取消用電,則正常程序執(zhí)行公用電能表的計(jì)量與用電通信檢測(cè)程序。

4.2 惡性負(fù)載檢測(cè)程序

實(shí)際的各種用電整流負(fù)載需要既有非非線性整流負(fù)載,又要具有非線性負(fù)載整流用電負(fù)載,這樣就使用電負(fù)載的整流輸入輸出電流密度呈現(xiàn)出混合性的波形。利用軟件設(shè)計(jì)識(shí)別惡性整流負(fù)載的一種方法一般是:先行假設(shè)其中的線性正弦曲是波幅度小值為大的k1,非線性正弦曲的波幅度大值為小的k2,通過(guò)對(duì)一個(gè)幅值為1的k1+k2的正弦波與它的實(shí)際波在[0-x]上進(jìn)行積分后在面積上的相差比原來(lái)可以求出非非線性整流負(fù)載的輸入電流密度幅值,即k1及非線性負(fù)載整流用電負(fù)載的輸入電流密度幅值均為k2,據(jù)此方法來(lái)可計(jì)算出整流電路中所需要包含的非非線性整流負(fù)載的總功率與非線性負(fù)載整流用電負(fù)載的總功率,從而可以識(shí)別計(jì)算出惡性整流負(fù)載。

4.3 射頻通信程序

組建一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)動(dòng)態(tài)網(wǎng)狀系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)一般可以認(rèn)為包括兩個(gè)主要優(yōu)化步驟:絡(luò)狀動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)初始化、節(jié)點(diǎn)初始化和加入新的絡(luò)狀動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò),其中從在一個(gè)節(jié)點(diǎn)初始化中加入新的絡(luò)狀動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)又一般可以認(rèn)為包括兩個(gè)主要優(yōu)化步驟:其中包括通過(guò)與絡(luò)狀網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)調(diào)器之間通過(guò)連接絡(luò)狀網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化入網(wǎng)和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接加入已有父網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)和在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)連接絡(luò)狀網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化入網(wǎng)。一個(gè)新的拓?fù)浣j(luò)狀動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以包括一個(gè)節(jié)點(diǎn)初始和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的工作流程一般為:(1)需要確定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)信道協(xié)調(diào)器;(2)需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信道能量掃描技術(shù)過(guò)程。其中包括被動(dòng)能量信道掃描和主動(dòng)能量掃描兩個(gè)技術(shù)過(guò)程:(3)需要設(shè)置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)信道id。而在我們已經(jīng)找到合適的一個(gè)使用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用對(duì)應(yīng)信道后,協(xié)調(diào)器將為每個(gè)新的使用網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)信道使用節(jié)點(diǎn)分別重新選定一個(gè)我們可以將它放在自己整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的使用信道節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符,這個(gè)網(wǎng)絡(luò)id標(biāo)識(shí)在所需要使用的網(wǎng)絡(luò)信道中應(yīng)該是唯一的。