基于ZigBee的智慧用電監控系統

吳蓬勃，張金燕，王拓，張冰玉，張靜，解增林

（1.石家莊郵電職業技術學院，河北石家莊， 050021；2. 河北工程技術學院，河北石家莊， 050091；3. 河北宏達礦山工程有限公司，河北石家莊， 050023）

0 引言

近年來，氣候變化導致極端天氣頻發，能源危機，電力緊張，多個國家遭遇電荒。因此，降低碳排放逐漸成為各國共識[1]。針對這些問題，我國早在2020年的聯合國大會上，就提出了雙碳目標：力爭在2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和[2]。

為實現“雙碳”目標，如何實現降低電能消耗，成為其中關鍵一環[3]。本文基于ZigBee無線傳感器網絡、智能空開和多種傳感器，設計了一套校園智慧用電監控系統，實現了校園用電能耗監控。

1 系統總體設計

系統架構圖如圖1所示，整個系統包括：ZigBee智慧用電節點、ZigBee網關、無線路由器和云端。其中，Zig-Bee智慧用電節點分布在校園教室、實驗室、宿舍等場景中，進行電量實時采集、電源開關遠程控制以及環境監測；ZigBee網關負責匯聚數據，并通過串口轉WiFi模塊與云端管理平臺通信。下面重點對智慧用電節點進行介紹。

圖1 系統架構圖

2 智慧用電節點硬件設計

■2.1 智慧用電節點組成

智慧用電節點主要包括三部分：用電監控和環境監測和電源管理。其中，用電監控部分主要由智能空開實現電量采集和電源開關控制；環境監測部分主要由火焰傳感器和溫濕度傳感器組成，實現火災、浸水等實時告警。電源管理部分，實現智慧用電節點的不間斷供電。

圖2 智慧用電節點組成

■2.2 智能空開與RS485通信

智能空開選用了曼頓科技的智慧物聯網空開，與傳統的空開相比，智能空開可以有效預防電氣安全事故發生，可以采集電壓、電流、模塊溫度等數據，并可以進行實時告警[4]。

考慮到在校園的不同場景中，智能空開的數量各不相同，本系統選擇了帶有RS485接口的智能空開，從而實現多個智能空開的組網。系統采用SP3485芯片實現CC2530與智能空開的RS485通信。SP3485是一款半雙工通信高速收發器，內部包含一個驅動器和一個接收器，可實現高達10Mbps的無差錯數據傳輸。

RS485通信模塊電路圖，如圖3所示。SP3485的1腳RO為接收器輸出，連接CC2530串口接收引腳RX；2腳RE為接收器輸出使能，低電平有效；3腳為驅動器輸出使能，高電平有效；4腳DI為驅動器輸出。由于SP3485為半雙工收發器，在發送數據時，需要RE=1，DE=1；接收數據時，需要RE=0，DE=0。

為實現數據的自動收發，避免頻繁設置RE和DE引腳電平導致的程序復雜度增加，在圖3中，將RE和DE引腳短接，連接到三極管Q1的集電極，通過CC2530串口發送引腳控制三極管Q1的開關。

圖3 RS485自動收發電路

在串口發送數據時，若ZB_TX=0，則Q1截止，DE引腳被拉高，SP3485進入發送模式，由于驅動器輸出引腳DI接地，所以右側的AB腳會發送數據0。若ZB_TX=1，則Q1導通，RE腳接低電平，SP3485進入接收模式，右側的AB腳會進入高阻態，電阻R9把A拉高，R10把B拉低，所以AB會傳送數據1，從而完成了數據的正常發送。串口不發送數據時，ZB_TX為高電平，Q1導通，SP3485的RE=0，芯片進入接收模式，可通過RO正常接收串口數據。從而實現了RS485數據的自動收發。

■2.3 電源管理模塊

為確保在市電斷電情況下，智慧用電節點仍然可以正常工作，實時進行環境監測，本系統引入了電源管理模塊，電路圖如圖4所示。本模塊采用充放電管理芯片SM5401實現鋰電池的充放電管理。SM5401具備0.8A線性充電模式，具備涓流、恒流和恒壓三種充電模式，內置防倒充電路。圖4中的D2和D3為充放電指示燈，SM5401的3腳連接充電電池正極；通過5腳連接的UPS接口，可實現電池充電和放電。

圖4 電源管理模塊電路圖

3 軟件設計

■3.1 ZigBee無線通信設計

智慧用電節點和ZigBee無線網關之間采用ZigBee無線網絡進行通信，兩個模塊對應的程序流程圖如圖5和圖6所示。

在圖5中，智慧用電節點首先進行硬件初始化和Zig-Bee無線參數配置；然后開機自檢，判斷智能空開狀態，獲取智能空開的電壓和電流；進入正常運行狀態后，開始接收ZigBee無線指令、解析指令，并將指令通過RS485發送到智能空開；獲取的智能空開狀態數據會通過ZigBee網絡上傳到ZigBee網關。

圖5 智慧用電節點程序流程圖

在圖6中，ZigBee無線網關通過串口轉WiFi模塊接收云端上位機數據，同時，將智慧用電節點上傳的數據，轉發到云端。

圖6 ZigBee網關程序流程圖

■3.2 智能空開Modbus通信

智能空開采用了國際標準的Modbus通訊協議，支持RTU和ASCII模式。本系統采用了RTU模式，數據幀格式如圖7所示。每個Modbus報文包括：從機地址、功能碼、數據和CRC校驗；功能碼主要包括：讀取開關合閘/分閘狀態指令、遠程開關控制指令以及讀取電壓、電流等數據的指令。為保證Modbus報文正常傳輸，每個報文需間隔最小3.5個字符的空閑時間。

圖7 Modbus RTU數據格式

■3.3 環境感知

為確保智慧用電節點正常工作，對火災和浸水等情況進行實時報警，本系統增加了環境監測部分，主要包括：火焰傳感器和溫濕度傳感器。本部分重點介紹數字溫濕度傳感器DHT11與CC2530的通訊流程。

DHT11數字溫濕度傳感器內部主要包括：電阻式濕度感知元件、NTC測溫元件和高性能8位單片機。DHT11采用單總線進行數據通訊，信號傳輸距離可達20m以上。

DHT11一次通訊時間在4ms左右，一次完整的數據傳輸為40bit，采用高位在前低位在后方式。40bit數據分別包括：8bit濕度整數數據、8bit濕度小數數據、8bit溫度整數數據、8bit溫度小數數據和8bit校驗和。

DHT11對數據信號高低電平的時長有著嚴格的要求，數據通訊建立的流程，如圖8所示。DHT11數據總線DATA空閑狀態為高電平。CC2530作為主機，將DATA拉低時長需要大于18ms，再將電平拉高，時長控制在20～40μs之間；此時，DHT11會發送響應信號，發送80μs的低電平和80μs的高電平。CC2530收到DHT11的響應后，開始進入數據傳送狀態。

圖8 CC2530與DHT11數據通訊建立流程

DHT11發送數據0和1的時序圖，如圖9所示。發送50μs低電平，26～28μs之間的高電平，代表數字0；發送50μs低電平，70μs的高電平，代表數字0。

圖9 DHT11發送數字0和1時序圖

4 測試

為測試系統運行效果，搭建了測試環境，如圖10所示。上位機軟件可通過ZigBee網關實時采集智慧用電節點的電壓、電流數據，同時，可以遠程控制電源的開關，實現了校園用電的智能監控。

圖10 系統測試

5 總結

為實現校園用電數據實時采集與智能管控，有效促進節約用電，本文基于ZigBee無線傳感器網絡、智能空開和多種傳感器，設計了一套校園智慧用電監控系統，實現了校園的用電監控和環境監測。