基于ZigBee的智慧用電監(jiān)控系統(tǒng)

吳蓬勃，張金燕，王拓，張冰玉，張靜，解增林

（1.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊， 050021；2. 河北工程技術(shù)學(xué)院，河北石家莊， 050091；3. 河北宏達(dá)礦山工程有限公司，河北石家莊， 050023）

0 引言

近年來(lái)，氣候變化導(dǎo)致極端天氣頻發(fā)，能源危機(jī)，電力緊張，多個(gè)國(guó)家遭遇電荒。因此，降低碳排放逐漸成為各國(guó)共識(shí)[1]。針對(duì)這些問(wèn)題，我國(guó)早在2020年的聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，就提出了雙碳目標(biāo)：力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[2]。

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，如何實(shí)現(xiàn)降低電能消耗，成為其中關(guān)鍵一環(huán)[3]。本文基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能空開(kāi)和多種傳感器，設(shè)計(jì)了一套校園智慧用電監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了校園用電能耗監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)包括：ZigBee智慧用電節(jié)點(diǎn)、ZigBee網(wǎng)關(guān)、無(wú)線路由器和云端。其中，Zig-Bee智慧用電節(jié)點(diǎn)分布在校園教室、實(shí)驗(yàn)室、宿舍等場(chǎng)景中，進(jìn)行電量實(shí)時(shí)采集、電源開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程控制以及環(huán)境監(jiān)測(cè)；ZigBee網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)匯聚數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊與云端管理平臺(tái)通信。下面重點(diǎn)對(duì)智慧用電節(jié)點(diǎn)進(jìn)行介紹。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 智慧用電節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 智慧用電節(jié)點(diǎn)組成

智慧用電節(jié)點(diǎn)主要包括三部分：用電監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測(cè)和電源管理。其中，用電監(jiān)控部分主要由智能空開(kāi)實(shí)現(xiàn)電量采集和電源開(kāi)關(guān)控制；環(huán)境監(jiān)測(cè)部分主要由火焰?zhèn)鞲衅骱蜏貪穸葌鞲衅鹘M成，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)、浸水等實(shí)時(shí)告警。電源管理部分，實(shí)現(xiàn)智慧用電節(jié)點(diǎn)的不間斷供電。

圖2 智慧用電節(jié)點(diǎn)組成

■2.2 智能空開(kāi)與RS485通信

智能空開(kāi)選用了曼頓科技的智慧物聯(lián)網(wǎng)空開(kāi)，與傳統(tǒng)的空開(kāi)相比，智能空開(kāi)可以有效預(yù)防電氣安全事故發(fā)生，可以采集電壓、電流、模塊溫度等數(shù)據(jù)，并可以進(jìn)行實(shí)時(shí)告警[4]。

考慮到在校園的不同場(chǎng)景中，智能空開(kāi)的數(shù)量各不相同，本系統(tǒng)選擇了帶有RS485接口的智能空開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)智能空開(kāi)的組網(wǎng)。系統(tǒng)采用SP3485芯片實(shí)現(xiàn)CC2530與智能空開(kāi)的RS485通信。SP3485是一款半雙工通信高速收發(fā)器，內(nèi)部包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)10Mbps的無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)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(qū)動(dòng)器輸出使能，高電平有效；4腳DI為驅(qū)動(dòng)器輸出。由于SP3485為半雙工收發(fā)器，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要RE=1，DE=1；接收數(shù)據(jù)時(shí)，需要RE=0，DE=0。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)收發(fā)，避免頻繁設(shè)置RE和DE引腳電平導(dǎo)致的程序復(fù)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(guò)CC2530串口發(fā)送引腳控制三極管Q1的開(kāi)關(guān)。

圖3 RS485自動(dòng)收發(fā)電路

在串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若ZB_TX=0，則Q1截止，DE引腳被拉高，SP3485進(jìn)入發(fā)送模式，由于驅(qū)動(dòng)器輸出引腳DI接地，所以右側(cè)的AB腳會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)0。若ZB_TX=1，則Q1導(dǎo)通，RE腳接低電平，SP3485進(jìn)入接收模式，右側(cè)的AB腳會(huì)進(jìn)入高阻態(tài)，電阻R9把A拉高，R10把B拉低，所以AB會(huì)傳送數(shù)據(jù)1，從而完成了數(shù)據(jù)的正常發(fā)送。串口不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，ZB_TX為高電平，Q1導(dǎo)通，SP3485的RE=0，芯片進(jìn)入接收模式，可通過(guò)RO正常接收串口數(shù)據(jù)。從而實(shí)現(xiàn)了RS485數(shù)據(jù)的自動(dòng)收發(fā)。

■2.3 電源管理模塊

為確保在市電斷電情況下，智慧用電節(jié)點(diǎn)仍然可以正常工作，實(shí)時(shí)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)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(nèi)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(guò)5腳連接的UPS接口，可實(shí)現(xiàn)電池充電和放電。

圖4 電源管理模塊電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 ZigBee無(wú)線通信設(shè)計(jì)

智慧用電節(jié)點(diǎn)和ZigBee無(wú)線網(wǎng)關(guān)之間采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，兩個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的程序流程圖如圖5和圖6所示。

在圖5中，智慧用電節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行硬件初始化和Zig-Bee無(wú)線參數(shù)配置；然后開(kāi)機(jī)自檢，判斷智能空開(kāi)狀態(tài)，獲取智能空開(kāi)的電壓和電流；進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)后，開(kāi)始接收Z(yǔ)igBee無(wú)線指令、解析指令，并將指令通過(guò)RS485發(fā)送到智能空開(kāi)；獲取的智能空開(kāi)狀態(tài)數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳到ZigBee網(wǎng)關(guān)。

圖5 智慧用電節(jié)點(diǎn)程序流程圖

在圖6中，ZigBee無(wú)線網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊接收云端上位機(jī)數(shù)據(jù)，同時(shí)，將智慧用電節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)到云端。

圖6 ZigBee網(wǎng)關(guān)程序流程圖

■3.2 智能空開(kāi)Modbus通信

智能空開(kāi)采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通訊協(xié)議，支持RTU和ASCII模式。本系統(tǒng)采用了RTU模式，數(shù)據(jù)幀格式如圖7所示。每個(gè)Modbus報(bào)文包括：從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)；功能碼主要包括：讀取開(kāi)關(guān)合閘/分閘狀態(tài)指令、遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制指令以及讀取電壓、電流等數(shù)據(jù)的指令。為保證Modbus報(bào)文正常傳輸，每個(gè)報(bào)文需間隔最小3.5個(gè)字符的空閑時(shí)間。

圖7 Modbus RTU數(shù)據(jù)格式

■3.3 環(huán)境感知

為確保智慧用電節(jié)點(diǎn)正常工作，對(duì)火災(zāi)和浸水等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，本系統(tǒng)增加了環(huán)境監(jiān)測(cè)部分，主要包括：火焰?zhèn)鞲衅骱蜏貪穸葌鞲衅鳌１静糠种攸c(diǎn)介紹數(shù)字溫濕度傳感器DHT11與CC2530的通訊流程。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器內(nèi)部主要包括：電阻式濕度感知元件、NTC測(cè)溫元件和高性能8位單片機(jī)。DHT11采用單總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20m以上。

DHT11一次通訊時(shí)間在4ms左右，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，采用高位在前低位在后方式。40bit數(shù)據(jù)分別包括：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)、8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)、8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)、8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)和8bit校驗(yàn)和。

DHT11對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)高低電平的時(shí)長(zhǎng)有著嚴(yán)格的要求，數(shù)據(jù)通訊建立的流程，如圖8所示。DHT11數(shù)據(jù)總線DATA空閑狀態(tài)為高電平。CC2530作為主機(jī)，將DATA拉低時(shí)長(zhǎng)需要大于18ms，再將電平拉高，時(shí)長(zhǎng)控制在20～40μs之間；此時(shí)，DHT11會(huì)發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，發(fā)送80μs的低電平和80μs的高電平。CC2530收到DHT11的響應(yīng)后，開(kāi)始進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)。

圖8 CC2530與DHT11數(shù)據(jù)通訊建立流程

DHT11發(fā)送數(shù)據(jù)0和1的時(shí)序圖，如圖9所示。發(fā)送50μs低電平，26～28μs之間的高電平，代表數(shù)字0；發(fā)送50μs低電平，70μs的高電平，代表數(shù)字0。

圖9 DHT11發(fā)送數(shù)字0和1時(shí)序圖

4 測(cè)試

為測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行效果，搭建了測(cè)試環(huán)境，如圖10所示。上位機(jī)軟件可通過(guò)ZigBee網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)采集智慧用電節(jié)點(diǎn)的電壓、電流數(shù)據(jù)，同時(shí)，可以遠(yuǎn)程控制電源的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了校園用電的智能監(jiān)控。

圖10 系統(tǒng)測(cè)試

5 總結(jié)

為實(shí)現(xiàn)校園用電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與智能管控，有效促進(jìn)節(jié)約用電，本文基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能空開(kāi)和多種傳感器，設(shè)計(jì)了一套校園智慧用電監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了校園的用電監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測(cè)。