基于物聯網技術的校園用電監控系統設計*

錢承山,毛海強,張永宏,張 靜,張 建,王廷廷,李海峰

(1.南京信息工程大學計算機與軟件學院,南京 21004;2.南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044)

基于物聯網技術的校園用電監控系統設計*

錢承山1*,毛海強2,張永宏2,張 靜1,張 建2,王廷廷2,李海峰2

(1.南京信息工程大學計算機與軟件學院,南京 21004;2.南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044)

針對目前校園用電智能化管理的需求,設計了一種基于物聯網技術的校園用電監控系統。系統無線傳感網絡以電能監測芯片CS5460A和ZigBee模塊CC2530為核心,監測用電數據,定時將采集的電流、電壓和電功率發送至上位機。上位機軟件采用C#語言在Visual studio 2012開發環境下設計而成,實現管理節點、處理數據以及根據監測結果向相應節點發送報警或通斷電指令等功能。實踐結果表明,該系統穩定可靠、精確度高、易于擴展和維護。

ZigBee;CC2530;用電監控;物聯網;C#

近年,頻發的高校火災事故無時無刻不在威脅著在校師生的生命財產安全,在高校火災事故案例中,學生宿舍發生火災的情況占有很大比例[1-2]。為了保障用電安全,許多高校在宿舍安裝了用電管理系統對用電情況進行監控。然而,現有的用電監控系統多采用RS485總線方式,掛接節點的數量受線路電氣特性限制,搭建包含大量節點的系統投入成本過高,不利于擴展。總線方式同時還存在布線工程巨大,線路復雜,故障點查找與線路更換麻煩,維護不便等缺陷[3]。

隨著物聯網技術的飛速發展,無線通信技術已經在數據采集和信息交互領域得到廣泛應用[4]。現有的無線通信技術中,藍牙組網規模小,距離近;WI-FI覆蓋范圍有限,功耗大;GPRS(General Packet Radio Service)成本高,不利于推廣[5]。考慮以上無線通信方式的弊端,提出一種基于ZigBee無線通信技術的校園用電監控系統。該系統利用ZigBee功耗低、組網靈活、性價比高、短時延等特點[6],通過無線網絡實現監控節點與上位機之間的數據通信。監控節點以CC2530為主控單元實現電能監測和數據傳輸,可對樓層內任意位置進行用電監控,具有低成本、體積小、靈活性高等優點。

1 系統總體設計

系統主要包括上位機和無線傳感網絡兩部分,整體設計結構如圖1所示。無線傳感網絡采用樹狀拓撲結構,以一個協調器為核心輔以多個路由器和監控節點。以學生宿舍用電管理為例,系統工作時,監控節點定時讀取宿舍用電數據,經由路由器發送到協調器,再通過串口傳至上位機。上位機實現管理網絡節點,處理、顯示以及存儲監測數據,向違規用電宿舍發出報警,對于多次報警或嚴重違規宿舍自動斷電,斷電宿舍可由管理員手動恢復,上位機還可以存儲宿舍用電數據以供查閱。

圖3 電能監測部分電路圖

圖1 系統總體設計結構圖

2 系統硬件設計

2.1 監控節點設計

監控節點實現監測宿舍用電情況、無線通信以及執行上位機指令3個功能,其總體結構如圖2所示,以CC2530芯片為核心,附以繼電器模塊、報警器模塊、電能監測模塊、外部存儲器、天線以及一些外圍電路。

圖2 監控節點結構框圖

主控單元采用支持ZigBee協議的SoC芯片CC2530,該芯片集成了RF收發模塊和增強型8051CPU內核[7]。通過I/O端口與CS5460A片上雙向SPI接口相連,CC2530可以實現對電能監測模塊的控制,包括初始化電路、設置其工作狀態以及讀取監測結果。電能監測部分具體硬件電路如圖3所示,選用Cirrus Logic公司生產的電能監測專用芯片CS5460A對采樣信號進行處理。CS5460A內部包含兩個ΔΣ模-數轉換器、高通濾波器和低通濾波器,具有相位補償和數字校準功能,有等待和休眠兩種節能模式可供選擇,以其為核心設計的電度表精度可達0.5級[8]。考慮CS5460A差模輸入電壓不能超過±250 mV,采用隔離法對電壓電流進行采樣,電壓采集電路中,2 mA/2 mA電流型電壓互感器T1配合電阻R3將電壓信號轉變為電流信號,電阻R4采樣電流信號生成符合輸入條件電壓信號。電阻R1、R6與電容C1、C2、C3構成抗混淆濾波器,同時也是低通濾波器,其中電阻R1、R6還可為輸入引腳VIN+和VIN-提供限流保護;電流采樣電路中,變比為1 000∶1的電流互感器T2結合采樣電阻R11將被測電流轉變為低壓信號,同樣經過濾波電路輸入電能監測芯片。

監控節點上電初始化需要校準電能監測模塊,校準過程需要提供空載和滿載兩種狀態,工作時不便于重復進行,選用非易失性外部存儲芯片24LC256存放一次校準得到的修正值。CC2530通過I2C接口與存儲芯片相連實現數據讀寫,上電時直接讀取存儲內容寫入CS5460A對應的寄存器即可完成校準。

2.2 路由器與協調器設計

路由器與協調器是無線傳感網絡的重要組成部分,協調器負責建立無線網絡,發送子節點的數據包至上位機,接受上位機的指令向子節點廣播;而路由器處于協調器與監控節點之間,實現網絡拓展和數據轉接。路由器和協調器的主體部分都是基于CC2530設計,電路如圖4所示,為了保證無線網絡的穩定性,添加了RFX2401C功率放大芯片作為射頻前端以增強信號強度。CC2530通過引腳P1_5、P1_4以及巴倫匹配電路連接RFX2401C,天線則通過RP-SMA接口與RFX2401C相連實現數據的收發。

不同于路由器,協調器需要通過串口與上位機進行通信。選用CH340T芯片為協調器設計串口通信電路,電路如圖5所示,CC2530通過I/O端口直接連接CH340T芯片的TXD、RXD以及RTS引腳進行數據傳輸。

圖5 串口通信電路

圖4 路由器和協調器協調器主體電路

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee程序設計

ZigBee程序基于Z-Stack協議棧設計,在IAR Embedded Workbech開發環境中完成,包括監控節點程序、路由器程序和協調器程序。CC2530沒有集成SPI和I2C這兩個接口,監控節點程序設計時,需設置USART0控制器運行在SPI模式下,同時設置I/O端口并移植I2C程序以模擬I2C接口讀寫。路由器和協調器加裝了功率放大芯片,編程時同樣需要對相應引腳和宏定義進行配置。

考慮到相同設備的干擾以及數據安全傳輸,ZigBee程序設計時采用了AES加密。AES是美國國家標準與技術研究所建立的高級數字加密標準規范,ZigBee傳輸過程中,數據采用AES加密算法能夠有效提高系統的安全性和抗干擾能力[9]。

監控節點上電后,初始化ZigBee模塊和電能監測模塊,搜索并加入協調器建立的網絡,定時讀取宿舍用電數據和節點地址封裝成數據包發往協調器;當接收到協調器的廣播消息時,根據消息中的地址信息判斷本節點是否是目標節點,若是,則處理消息,否則忽視本條消息。考慮降低節點能耗,若當前沒有事件需要處理,監控節點自動進入休眠狀態,其休眠包括ZigBee模塊休眠和電能監測模塊休眠。系統定時結束,需要讀取并發送監測數據時,喚醒兩個休眠模塊,處理其他事件只喚醒ZigBee模塊。協調器啟動時,首先選定信道和網絡標識符建立無線網絡,之后就和路由器一樣,接受子節點加入網絡,向上傳輸數據包,向下廣播指令。ZigBee程序主體流程如圖6所示。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件基于C#語言在Visual studio 2012開發環境下編寫而成,Visual studio是當前Windows平臺下最受歡迎的應用程序集成開發環境[10]。上位機軟件可以匹配節點地址與宿舍號,設置串口屬性,調整報警閾值,當接收到協調器上傳的數據包時,上位機還可以處理數據實現動態顯示,繪制任意節點的實時曲線,查詢歷史數據和報警記錄。對于違規用電宿舍,用電超出部分在設定值的百分之十以內發送報警指令,超過百分之十或者當天報警累計超過三次則直接發送斷電指令,斷電宿舍可由管理員手動恢復。

上位機與無線傳感網之間的通信協議如表1與表2所示,其中,表1為監控節點上傳數據協議,表2為上位機操作指令協議。對于監控節點上傳的數據包,上位機首先獲取幀頭和幀尾進行確認,然后分析節點地址,處理監測數據;當監控節點接收到上位機指令包時,同樣判定幀頭、幀尾以及節點地址,根據判定結果決定是否執行相應指令。

圖6 ZigBee程序流程圖

名稱內容字節/byte幀頭0x551節點地址Addr2電壓Voltage2電流Current2電功率Power4幀尾0xAA1

表2 上位機操作指令協議

3.3 實驗

系統設計完成后進行實驗,在宿舍樓的1層～5層各選取10個宿舍加裝監控節點,各樓層安裝路由器進行數據轉接。系統工作時,在上位機軟件中綁定節點地址與宿舍號,設置串口和報警閾值,設置界面如圖7所示,設定波特率115 200,數據位為8,報警電流4 A,報警功率1 000 W。上位機軟件主界面的左側以列表的方式顯示各宿舍當前用電數據,包括電流、電壓、電功率、時間以及對應宿舍號,每兩秒刷新一次,上位機主界面如圖8所示,點擊列表中任意一行,主界面右側顯示當前行所對應宿舍號,同時顯示出該宿舍用電情況動態曲線。對于上位機所記錄的歷史數據可以根據宿舍號和日期進行查詢,圖9所示為記錄數據查詢界面,監測結果中電流、電壓、電功率單位分別為安培(A)、伏(V)和瓦(W)。

圖7 上位機設置界面

圖8 上位機主界面

圖9 監測記錄查詢

4 結束語

本文提出了一種基于物聯網技術的校園用電監控系統,詳細介紹了整個系統的設計原理和工作過程。系統選用電能監測專用芯片CS5460A實現對宿舍用電數據的精確測量,通過無線網絡進行數據交互,可以監控樓層內任何功能分區的用電情況。數據傳輸采用了AES加密算法提高系統的穩定性和安全性。實驗結果表明,該系統具有低功耗,低成本,安裝靈活,抗干擾能力強和易于維護等優點,有廣闊的應用前景。

[1] 章梁斌. 高校圖書館火災自動報警與消防聯動系統的設計[D]. 廣州,華南理工大學,2012.

[2] 鐘詩穎. 高校學生宿舍火災風險評價及控制研究[D]. 湖南,湖南科技大學,2012.

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DesignofCampusElectricityMonitoringSystemBasedonInternetofThings*

QIANChengshan1*,MAOHaiqiang2,ZHANGYonghong2,ZHANGJing1,ZHANGJian2,WANGTingting2,LIHaifeng2

(1.School of Computer and Software,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.School of Information and Control,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

According to the requirement of current campus electricity intelligent management,a campus electricity monitoring system was designed based on internet of things. Wireless sensor network of the system takes energy measurement chip CS5460A and CC2530 ZigBee module as a core which monitors the electricity data and sends the collected current,voltage and electric power to host computer regularly. The host computer software was designed with C# language in Visual studio 2012,it can realize the fuctions of managing nodes,processing data,sending alarms or power on-off instructions to corresponding node according to the monitoring results and so on. The experimental resualt shows that the system is stable and reliable,high precision,and easy to extend and maintain.

ZigBee;CC2530;electricity monitoring;internet of things;C#

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.041

項目來源:國家自然科學基金面上項目(51575283)

2016-07-27修改日期2016-09-20

TP274

A

1005-9490(2017)05-1266-06

錢承山(1971-),男,漢族,山東泰安,南京信息工程大學,教授,碩士生導師,主要研究方向為智能終端與物聯網應用、非線性系統控制、自動檢測技術,qianchengshan@163.com;

毛海強(1991-),男,漢族,江蘇泰州,南京信息工程大學,碩士研究生,研究方向為智能終端與物聯網應用、自動檢測技術,642450204@qq.com。