基于ZigBee技术的无线传感器网络在能源计量系统中的应用

2013-05-14王瑛辉石理碧

计量技术 2013年11期

王瑛辉石理碧孙坚

(浙江杭州市质量技术监督检测院，杭州 310019)

0 引言

近年来，随着我国经济的高速增长，我国的能源消耗总量居世界第二，而我国人均能源资源占有量却只有世界平均水平的40%，因此提高能源利用率促进节能减排已成为我国重要任务之一，其中能源计量成为实现节能减排的关键。能源计量是指在能源流程中，对各环节的数量、质量、性能参数及相关的特征参数等进行检测、度量和计算，以达到提高能源利用效率、节约能源的目的。

目前我国能源计量缺乏经济、适用和可靠性高的计量手段，不能做到及时采集数据，进行统计与分析，提供用能决策依据。如果采用传统的有线方式来进行能源计量，需要铺设大量的电缆、网线、光纤以构成传输网络，其设备建设和维护成本很高。因此我们可借助于通讯可靠、费用合理的无线传感器网络。

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络区域中感知对象的信息，并发送给观察者。ZigBee技术是采用IEEE802.15.4网络协议的新一代无线网络技术，具有数据传输能力强、可靠性高及成本低廉的特点。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是功耗与成本最低的技术，能更好地满足能源计量的要求。

1 能源计量系统方案设计

能源计量系统是一种基于WEB的现代化能源管理平台，可以对用能单位的能耗数据进行采集、存储、分析和统计查询，为用能单位的节能提供科学依据，并为能源计量审查提供科学数据参考。能源计量系统的结构如图1所示,能源计量器具通过RS485接口与ZigBee模块连接，各能源计量器具的数据经由ZigBee模块传输到ZigBee协调器，ZigBee协调器将采集到的数据进行处理，通过局域网传输到数据监控服务器。管理平台可以通过互联网来访问数据页面。

图1 能源计量系统结构图

2 ZigBee节点的硬件设计

由于ZigBee模块要与能源计量器具一起使用或独立使用，并要使用电池供电，要求ZigBee模块体积小、低功耗和高可靠性。因此，我们选用了Jennic公司生产的JN5139模块。JN5139完全兼容2.4GHz IEEE802.15.4收发器，采用2.2～3.6V电压供电，接收灵敏度高达-97dBm，发射功率为+3dBm，深度睡眠时仅消耗电流0.2μA，非常适用于无线传感器网络。

2.1 ZigBee节点的结构图

ZigBee节点的结构如图2所示，主要由JN5139模块、RS232和RS485通信端口、电源模块、I/O接口4部分组成。电源模块采用电池供电，RS232 接口用于程序的编写、调试,RS485 接口用于连接能源计量器具，采集计量器具的数据。扩展I/O口用于连接其他外部设备，增加节点的可扩展性。

图2 ZigBee节点结构图

2.2 JN5139模块

如图3所示的JN5139模块集成了32 位RISC处理器、48字节OTP eFuse、128 KB FLASH、192 KBROM、96 KB RAM、RF收发器，并提供了4路12位ADC、2路11位DAC，2个比较器、2个用户计时器、3个系统计时器，2个UART(其中一个用于系统调试)，1个带有5个片选线的SPI接口，1个2线串行接口,21个通用I/O口。