基于无线传感器网络的智能用电在线监控系统*

2017-12-26滕志军陈宇红井梓鉴刘长银侯学艳侯艳权

电子器件 2017年6期

关键词：智能建筑功率监控

滕志军,张力,宋锐,陈宇红,井梓鉴,刘长银,侯学艳,侯艳权

(1.东北电力大学信息工程学院,吉林吉林 132012;2.国网吉林供电公司信息通信分公司,吉林吉林 132011;3.国网七台河供电公司,黑龙江七台河 154600)

基于无线传感器网络的智能用电在线监控系统*

滕志军1*,张力1,宋锐2,陈宇红2,井梓鉴2,刘长银3,侯学艳3,侯艳权3

(1.东北电力大学信息工程学院,吉林吉林 132012;2.国网吉林供电公司信息通信分公司,吉林吉林 132011;3.国网七台河供电公司,黑龙江七台河 154600)

针对传统建筑中由于电气线路接触不良、过载等易引发火灾,提出一种基于无线传感器网络的智能建筑电气安全监控系统,可动态设置智能插座的功率阈值,若超过阈值时,插座自动断开电源,以避免过载或影响同一分支电路的其他设备。测试结果表明,系统对过载反应快速准确,工作稳定可靠。该监控系统安装调试简便,可有效保障用电安全,具有较高的应用推广价值。

无线传感器网络;用电;监控;功率;智能节点

世界上第1座智能建筑是1984年在美国哈特福德建立的“都市办公大楼”。在我国,智能建筑从20世纪90年代开始进入了快速发展阶段。这些发展,为人们提供了一个高效、舒适、便利的人性化建筑环境。因此智能建筑是社会发展的产物,其智能化的程度也必然随着科学技术的发展而得到逐步地提高[1-2]。

智能建筑是以控制技术、通信技术、网络技术及传感器技术等高新技术为基础,利用各种电力电子设备构成智能化系统,完成相应智能控制功能。它包括通讯系统,电力消耗监测,设备的远程开/关控制,超载保护和能源管理等功能[3-4]。在监控和楼宇控制电力系统研究中,电源插座是电力电子设备的一部分,并且目前在这方面已经开展了许多有益的研究和尝试,已逐渐成为智能建筑核心电源管理的主要焦点。

本文提出的基于ZigBee的智能用电监控系统,可实现实时检测系统的功率参数和智能超载保护,有效提高建筑电气的安全性。

1 ZigBee技术简介

ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准研发的,涉及组网、安全和应用软件方面的技术标准。ZigBee网络中的设备通常可以划分为全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)两种类型。ZigBee主要采用3种组网方式:星型网、树型网和网状网,具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本和较高的安全性等优点,还可支持大量的网络节点操作,主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的数据传输[5-9]。它本身的特点使其适用于工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域。

2 系统总体设计

图1 系统结构图

基于ZigBee的智能用电监控系统由智能节点、汇聚节点和楼宇监控中心3个部分组成(如图1所示)。ZigBee节点的组网方式为星形结构,汇聚节点和智能节点之间采用轮询的方式获取电气参数值。在该系统中智能节点通过测量电流和电压,以监测插座的实时用电信息,经ZigBee传送数据到汇聚节点。汇聚节点根据智能节点传送的数据,计算分支电路的总电流,与额定电流对比得出剩余安全电流值,作为智能节点超载保护的阈值。当分支电路的某个节点电气设备过载后,智能节点将及时切断电源,防止过载及更严重事故发生。

图2 智能节点的结构图

3 硬件设计

3.1 智能节点

智能节点由电源模块、功率控制模块、智能节点控制器以及ZigBee模块等4部分组成(如图2)。智能节点的主要功能如下:(1)测量功率参数,如电压、电流;(2)控制插座的输出功率;(3)过载时的安全保护;(4)通过ZigBee传输每个节点的用电信息。

3.1.1 电源模块

本系统采用可充电的锂电池进行供电。CC2530模块的工作电压范围为2.0 V～3.6 V。因此需要一个DC-DC,它的作用就是将电池电压降到CC2530芯片可以工作的范围内。U2选用TI的TPS76930作为稳压器件,其电路如图3所示。

图3 电源模块电路

3.1.2 功率检测模块

功率检测主要由电流传感器和电压传感器组成的外围电路来完成,功率检测模块通过智能节点控制器中的串行外设接口SPI与S3C2410A相连接。电流传感器采用GY-712,其可在-40 ℃和85 ℃环境中工作,所测出的电流范围为-30 A～30 A,因此在本文设计中采用该型号电流传感器;电压传感器的选择LV25-p,可同时测量交直流电压,具有10 V～500 V的额定工作电压,抗干扰能力强、低温度漂移、高带宽、高精度等优点。

3.1.3 智能节点控制器

智能节点控制器是一种低成本8位高性能微控制器,它包含内置的UART,SPI和一般目的输入输出(GPIO),充分满足了智能节点的功能需求。其中串行外设接口SPI与功率检测模块相连,通用异步接收器(UART)接口与ZigBee模块相连,GPIO接口与LED显示相连。该控制器周期性地提取电压、电流、功率值,智能节点的电流是由汇聚节点动态设置的,取决于分支电路的负载情况。当测得的电流超过智能节点的保护电流值时,控制器将会减少插座的输出功率。

3.1.4 ZigBee模块

ZigBee模块采用基于Z-STACK协议栈的高性能芯片CC2530芯片。该芯片集成了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器,具有高精确度的数字化RSSI/LQI,支持8 bit输入和可配置分辨率的12 bit ADC、AES安全协处理器、2个支持多种串行通信协议的强大USART、32 kHz睡眠定时器、IR发生电路、强大的5通道DMA等。CC2530具有不同的低功耗模式,可满足不同低功耗需求[9-13]。

在ZigBee模块中,传输功率决定节点之间的有效传输距离。ZigBee可以支持树形或网状的网络结构,将网络中的一些节点设置为路由器的功能,可以有效克服在同一平面传播的问题。因此,ZigBee通信应用到建筑中是没有传输距离的限制。

3.1.5 LED指示灯

为了让用户能够直观监视到插座的工作状态,设置3个指示LED灯,分别表示正常供电,低容量指示和由于过载切断电源保护的3种状态(表1)。正常供电时,LED1灯亮。在低功率容量状态下,LED2灯亮,警告用户不要使用大功率电器。当过压时,LED3灯亮。

表1 LED灯的状态

3.2 汇聚节点

汇聚节点是所有分支电路的监测和控制中心,用于外部通信和用户接口。其主要实现执行控制指令并监测智能节点功率消耗的功能。汇聚节点主要由一个微控制器(ARM)、LCD模块以及ZigBee模块3部分构成。ZigBee 模块通过通用异步接收器(UART)接口与ARM相连,LCD模块连接在ARM的并行主端口(PMP)和模数转换器(ADC)接口处。电路结构图如图4。

图4 汇聚节点结构原理图

3.2.1 ARM微处理器模块

ARM微处理器模块选用三星公司生产的S3C2410A芯片,使用了ARM公司的ARM920T内核,采用了称为AMBA(Advanced MicroCon-troller Bus Architecture,先进微处理器总线结构)的总线结构,增加了主从模块连接的便利性。S3C2410A集成了各种模块,其内部包含两个从处理器、16 KB的数据快速缓存区和16 KB的指令快速缓存区;在对外通信方面该微处理器有3个3通道通用异步收发器、2通道串行外设接口、USB主控器等模块。

3.2.2 LCD模块

LCD模块包括LCD控制器和TFT-LCD 触控面板。LCD控制器通过PMP接口从ARM接收电气参数信息之后,立即传送驱动信号。此外,该系统通过触摸传感器来选择LCD显示器。与接触式传感器技术相比,本系统具有简单方便,稳定性能好的特点。触摸传感器是4线电阻式触摸传感器,与ADC模块相连。ADC模块发送测试电压,读取触摸屏的信号,根据信号计算出面板上的触摸位置。

3.3 楼宇监控中心

楼宇监控中心包括主机和存放数据的数据库等,具有历史数据查询和打印输出等功能。楼宇监控中心主机可实时显示系统中各分支电路中智能节点的功率参数(电压、电流和功率),并将监控的数据保存在数据库中。

4 软件设计

4.1 智能节点程序设计

首先进行系统初始化,从集成电路中读取功率参数,然后判断是否过压,若过压,则断开继电器,否则设置LED灯,继续读取功率。过压断开继电器后,设置LED,将信息传送到汇聚节点,接着对故障是否清除进行判断,若清除,继电器闭合,否则继续传送信息到汇聚节点(流程图如图5所示)。

图5 智能节点的程序流程图

4.2 汇聚节点程序设计

首先进行系统初始化,随之判断是否接收到指令,若接收,分析检查指令,从输出节点收集功率信息,计算支路的总功率。接下来继续判断下一支路,最后显示节点的状态(具体流程如图6所示)。

图6 汇聚节点的程序流程图

5 实验结果

为了验证该系统可行性,在吉林市某小区进行测试。该系统有一个汇聚节点并且管理两个分支电路,其中一支路包含3个智能节点,二支路包含两个智能节点。每个分支电路的标准电压是220 V,电流保护值设定为10 A,相应的额定功率为2 200 W。采用面向对象的Qt Creator远程显示结果,楼宇监控中心的监测界面如图7所示,一支路的第2个智能节点电流为零,继电器已自动切断电源,另两个继电器闭合,但总功率不超过额定功率;二支路的两个智能节点继电器均闭合,同样不超过额定功率。

图7 系统用户界面

6 结束语

本文提出了一种基于ZigBee的智能电气安全监控系统,在楼宇监控中心实现对智能建筑的功率实时检测、更新功率阈值和自动断电等功能。通过在居民小区实际测试,系统运行稳定,能够及时对超载线路实现断路处理,弥补了传统配电系统的缺陷,有效保障了居民的用电安全。

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IntelligentPowerOn-lineMonitoringSystemBasedonWirelessSensorNetwork*

TENGZhijun1*,ZHANGLi1,SONGRui2,CHENYuhong2,JINGZijian2,LIUChangyin3,HOUXueyan3,HOUYanquan3

(1.Department of Information Engineering,Northeast Electric Power University,Jilin Jilin 132012,China;2.State Grid JiLin Power Supply Company Comunication Branch,Jilin Jilin 132011,China;3.State Grid Qitaihe Electric Power Supply Company,Qitaihe Heilongjiang 154600,China)

In the traditional architecture the electrical line is bad,overload and easy to cause a fire,an intelligent building electrical safety monitoring system has been proposed based on wireless sensor networks,and a smart outlet power threshold dynamically set up. If the threshold is exceeded,socket will automatically disconnect the power immediately in order to avoid overload or affect other devices on the same branch circuit. The test results show that the system overload responses quickly and accurately,it works stable and reliable. The monitoring system installation is simple and can effectively protect the safe use of electricity and it has a high application value.

wireless sensor network;power;monitoring;power;smart node

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.045

项目来源:国家自然科学基金项目(51277023)

2016-09-05修改日期2017-01-03

TN92

1005-9490(2017)06-1567-04