基于Zigbee技术的用电设备耗能信息数据采集系统

李轩恺，孙 宇，成诗琪，王 飞

（南京邮电大学 自动化学院，南京 210023）

0 引言

近几年国内外对ZigBee技术的理论和应用方面的研究也越来越多，如文献[4]提出了一种有效解决无线传感网络节点供电的问题的方法，文献[6]对Zigbee技术在组网方式、安全结构、加密算法等安全方面进行了全面的剖析，文献[7]设计了基于Zigbee无线传感器网络与GPRS通讯技术实现的远程室温、湿度参数监控系统，文献[8]提出IEEE802.15.4标准的组网方案，在解决扩展无线传感器网络的兼容性的同时保持了其算法的灵活性，等等，但是将ZigBee技术与用电设备耗能信息无线采集相结合的应用尚不太多。本文提出了一种基于Zigbee技术的用电设备耗能信息数据采集系统的实现方案，该系统不仅实现无线实时监测用电设备的电压、电流、功率以等信息，还可对用电设备进行开关控制，具有一定的实用价值。

1 系统总体方案设计

用电设备耗能信息数据采集系统包括采集节点、协调器和上位机3个部分。图1为用电设备耗能信息数据采集系统的整体结构图。

本系统采用星型网络拓扑结构，由若干个Zigbee终端节点（RFD，Reduced Function Device）和1个Zigbee协调器（FFD，Full Function Device）构建1个星型无线传感网络(WSN，Wireless Sensor Networks)。终端节点上的电表采集用电设备的耗能信息数据汇集到协调器并传输到控制中心的上位机，再由上位机分析处理这些数据，做出相应的反馈处理。

基于Zigbee技术的用电设备耗能信息数据采集系统在功能上实现了耗能信息数据的采集、传输和处理。在测量电表采集到数据之后，将数据通过RS485总线传输给STM32单片机，再由STM32单片机通过串口将数据传输给Zigbee无线节点，通过ZigBee网络将数据发送给协调器，协调器接收到数据后经串口将数据送往上位机，在上位机上显示当前用电设备的耗能情况，并按各用电设备耗能的设定值进行相应的调节。

图1 系统总体方案框图Fig.1 Overall plan diagram of the system

2 硬件设计

硬件设计主要分为采集节点和协调器两个部分。采集节点由测量电表、STM32单片机以及ZigBee芯片CC2530构成，它的主要功能是采集能耗信息并发送给协调器而协调器主要负责接收采集节点发送过来的数据，并对其进行封装后通过UART总线送往上位机。

其中ZigBee组网采用的是TI公司推出的符合IEEE 802.15.4规范的2.4 GHz射频芯片CC2530，该芯片集成了8051的CPU部分和PF射频部分。CC2530使用的8051 CPU内核是一个单周期的8051兼容内核，它包括一个调试接口和一个18输入的扩展中断单元。CC2530提供了一个IEEE 802.15.4兼容无线收发器，RF内核控制模拟无线模块。使用该芯片可以大大简化电路设计和降低系统功耗。

主控制器采用的是低功耗、高性能的STM32系列微控制器，其片上包含128K FLASH、20K SRAM、2个SPI、3个串口、1个USB、1个CAN、2个12位的ADC、RT等，其配置丰富，可以满足本设计的需要。

2.1 采集节点硬件设计

采集节点的硬件结构如图2所示，它主要由传感器模块、STM32、CC2530以及天线等组成。STM32通过RS485总线读取传感器采集到的用电设备的电压、电流和功率等信息，以字符的格式储存，并通过串口发送给ZigBee节点芯片CC2530。

2.2 协调器硬件设计

协调器硬件结构如图3所示，协调器不仅负责与采集节点组建ZigBee无线传感网，还要将各个采集节点发送过来的数据通过串口传送到上位机。其与上位机通过串口连接，由于未处理器与上位机的接口电平不一致，所以中间通过PL2303进行电平转换。

图2 无线采集节点硬件框图Fig. 2 Wireless nodes hardware diagram

图3 协调器硬件框图Fig.3 The hardware block diagram

3 软件功能及实现流程

3.1 软件开发平台

STM32和CC2530分别基于KEIL和IAR平台开发，用户界面（WPF，Windows Presentation Foundation）基于Visual Studio 2013开发。

在采集节点和协调器的软件实现上，主要基于TI的Zigbee2007协议栈Z—Stack，在协议栈的应用层进行系统设计。

3.2 采集节点主应用程序设计思想及流程

采集节点（RFD，Reduced Function Device）要完成加入由协调器节点组建的网络，并实现数据的发送功能。采集节点应用程序设计的主要功能是硬件初始化，加入ZigBee网络并根据用户指令进入工作模式，其软件软件流程如图4所示。

图4 RFD节点软件流程图Fig. 4 RFD Node software flow chart

3.3 协调器节点主应用程序设计思想及流程

协调器在组建网络的过程中，需要初始化系统并且网络组建成功后才允许采集节点接入，硬件上可根据指示灯的状态监测是否组网成功。在协调器节点主应用程序的设计中定义了4种工作状态。初始化状态：协调器节点的起始状态，是一个必需的状态，在协调器建立自己的网络之前，任何后续工作都不能进行；初始化工作状态：在此过程中，协调器节点将检索出一个可用的信道，并在此信道上建立自己的网络，只有在建网成功后才能进入正常启动状态，否则要重新返回初始化状态；正常启动状态：当建网成功后，协调器节点开始允许周围的设备（如RFD，Reduced Function Device）加入网络，进而实现节点间的通信；正常工作状态：根据用户的指令完成协调器和终端设备间的通信。协调器软件流程如图5所示。

3.4 上位机程序设计

上位机的初始化包括两方面，首先分配存储用电设备耗能信息的地址空间，如：va、vb、vc、vd分别用于存储电压的百位、十位和个位、十分位，其次是设置串口信息，如编号为COM2、波特率9 600、数据位8位，并初始化串口。

代码如下：

图5 协调器软件流程图Fig. 5 Coordinator software flow chart

上位机根据协议对串口接收到的用电设备耗能信息进行解码，接收到的数据格式为16进制，如：“0213”解码后的结果为53.1，计算过程为

将上一步解码得到的十进制数据转化为字符串格式显示在上位机上。

代码如下：

终端模块接收到上位机发送的抄表命令，首先检查地址，如果地址不符，说明命令是发给其他模块，则丢弃命令，继续等待。如果命令相符，终端模块则将数据发送给协调器。协调器对数据正常接收完毕后，通过串口将数据发送给上位机，在上位机界面显示用电设备的相关信息，上位机界面如图6所示。

图6 用电设备耗能信息数据采集系统上位机Fig. 6 Electrical equipment energy consumption information data collection system PC

图7 上位机显示部分Fig.7 PC display

图8 用电设备管理界面Fig. 8 Electrical equipment management interface

4 测试及分析

基于以上设计，对该系统进行了测试，将日常使用的吹风机作为测试的用电设备。采集节点通过Zigbee无线网络将用电设备耗能信息发送给上位机显示。图7为测试时上位机显示部分实拍图，其中吹风机的测试数据为：电流1.8A、电压225.6 V、功率703.3 306 W，与实际值一致，测量精度较高。图8为主机分析耗能数据后，在主机上做出相应反馈处理的操作界面。经测试，该系统采集结果准确、实时性较好，且操作较为简单，在无阻碍情况下无线传输的可靠距离可达82.4 m，可以满足一般应用场景。

5 结束语

本文提出了一种新的基于Zigbee技术的用电设备耗能信息数据采集系统的实现方案，将具有低成本、低功耗、易实现、安全可靠等特点的Zigbee技术用于室内用电设备耗能信息数据采集，有效的解决了由于现场采集耗能信息耗时长、效率低、数据不准确的问题。

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