基于ZigBee的智能用電管理系統設計

馮明卿，陳亞琨，王一妹

（鄭州電力高等?？茖W校，河南鄭州，450001）

1 ZigBee簡介

ZigBee射頻網絡通信是一種新興的可以利用各種短距離、低功耗成本和高功耗、低成本和高數據網絡傳輸速率、低成本、低數據網絡通信復雜度的新型利用無線網絡射頻通信通訊技術。其無線網絡協議的基本結構最初是為了充分參考符合國際標準的新型利用開放無線通信技術系統無線網絡互連射頻網絡通信模型而對其進行重新設計的,主要基本結構部分包括物理層、媒質訪問控制系統管理層、網絡層和無線網絡應用程序控制層。

2 智能用電管理系統結構與系統功能

2.1 系統結構圖

系統結構設計如軟件圖1所示。需要在每個高校學生宿舍的本地中心電能系統控制管理表內，分別重新安裝一個RF的本地通信電能控制管理模塊,從而組成一個全新的本地ZigBee本地通信控制節點,然后在高校的每棟學生樓的宿舍樓上都會分別有一個新的本地ZigBee通信節點來作為新的中心電能控制管理節點,而這個節點與每個本地中心電能控制管理節點之間，就會分別組成一個本地中心電能管理控制表的管理網絡,而中心電能控制管理節點就會通過本地電能校園網與本地電能管理表的中心監控微機進行通信相連。通過這種方式本地電能管理表的中心監控微機，便可以通過電能控制管理網絡來向每個本地電能管理表控制節點，去分別實施實時自動抄錄電能報表和實時數據采集管理。

圖1 系統結構設計如軟件圖

2.2 系統功能

(1)系統實施用電定時預付費制;采用先交錢后用電的模式，當電即將用完的時候會根據其情況發出警報。

(2)在學校實施用戶限電制度管理;在學校宿舍樓實行限電，既能保證節約用電還能做好用電安全。

(3)每個特定用戶設備電能自動識別樣本表都應具有一個功能自動地對進行不可惡性化的特定負載進行自動識別。

(4)發現用戶實際用電負載功率不足或超過電表管理職能部門為其自行設計的供電限定負載功率時,電表正常進行供電。

3 智能電能表硬件設計

電能管理控制電路表是由智能電源管理主控制負載管理系統模塊、惡性智能電源管理負載計量并行自動檢測系統控制管理模塊、電能電源管理負載計量系統控制管理模塊、電源模塊、顯示系統控制管理模塊、射頻網和無線通信系統控制管理模塊以及存儲模塊七個大部分共同設計組成。其中電源主控制管理模塊上則選用AT89S52,存儲器控制模塊上則選用24C64。

3.1 電能計量模塊電路

能量式電流計量方法取樣器是選擇器的ADE7755,計量方式取樣器的電路結構如下如下如圖2所示:當其通過一個電流計量取樣電路信號輸出電阻電路中的R0把與之的一個電流計量取樣電路信號電阻進行電壓轉換后它就成為一個電流計量取樣電路信號內阻電壓降是加在AD7755的一個V1輸入輸出端,與接在線上的電壓輸出成正比的信號電壓后將信號電流加在線的V2輸入輸出端,V1、v 2兩兩個輸入端的信號模擬量,經過內部優化處理后就會產生一個常數為3200mp/kwh(高頻脈沖數/千瓦小時)的高頻信號脈沖從線的CF端輸出,該高頻脈沖生成信號,經過一個光電耦合器之后送入微微單片機的P3.4端進行計量。

圖2 計量方式取樣器的電路結構圖

3.2 惡性負載檢測電路模塊

惡性電子設備上的負載(具體例如說例如家用燃煤電爐、電暖器、電熱毯等)，一般來說是一類用于線性電子設備上的負載,而這種類型的線性設備負載一般僅僅通過交流穩壓電阻電子元件直接組成,幾乎不可能完全包含通過交流穩壓電容等線性電子元件,所以其直接發出輸入，然后通過一系列的比對，就會發現通過交流穩阻電壓穩定脈動時的波形與直接發出輸入交流穩壓脈動電流穩定脈動時的波形在基本結構以及形狀上一般應該是一致的。然而通過對一些計算機、電視機之類的非線性電子設備上負載的觀察,也不難發現在這類線性設備負載下的集成電路中一般基本不會發現有通過交流穩壓電容穩定電源波的存在,這樣就可能使得線性負載集成電源只有在發出輸入電壓高于通過交流穩壓電容穩定交流電壓時電源才能正常做功,這樣一來就會導致直接發出輸入交流穩壓穩定電流脈動波形也會發生較大脈動畸變,所以對于這類交流負載線性設備來說,雖然直接發出輸入的電壓高于通過交流穩定值的電壓脈動波形一般是一個正或負弦形的脈動波形,但其直接發出輸入電壓高于通過交流電容穩壓穩定電流的一個正弦脈動波形卻嚴重地會發生較大畸變,呈一個短波形的脈沖狀。利用這一技術特點,通過對不同電流圖型波形圖進行各種周期性測量采樣,求出不同電流圖型波形在正半周內的圖形面積,利用不同電流負載上的對應不同電流圖型波形正半周內的面積不同這一基本原理方法來準確識別不同負載。

4 智能電能表軟件設計

電能電壓表顯示軟件由電能主程序、電能顯示計量控制程序、顯示射頻程序、通信報警程序、惡性電源負載電能識別檢測程序、報警識別程序等部分組成。

4.1 主程序流程

圖3 主程序工作流程圖

主程序工作流程如下的圖3所示,當用戶設定了計量限電與不限量允許惡性使用負載時,電能萬用表計量檢測器向用戶檢查是否發現用電次數超限或檢測是否發現有惡性用電負載時并識別用電信號,如發現用電次數超限或有惡性用電負載時自動報警,10s后再次進行檢測,如發現違規沒有被取消則自動斷電5min。如果無任何違規取消用電,則正常程序執行公用電能表的計量與用電通信檢測程序。

4.2 惡性負載檢測程序

實際的各種用電整流負載需要既有非非線性整流負載,又要具有非線性負載整流用電負載,這樣就使用電負載的整流輸入輸出電流密度呈現出混合性的波形。利用軟件設計識別惡性整流負載的一種方法一般是:先行假設其中的線性正弦曲是波幅度小值為大的k1,非線性正弦曲的波幅度大值為小的k2,通過對一個幅值為1的k1+k2的正弦波與它的實際波在[0-x]上進行積分后在面積上的相差比原來可以求出非非線性整流負載的輸入電流密度幅值,即k1及非線性負載整流用電負載的輸入電流密度幅值均為k2,據此方法來可計算出整流電路中所需要包含的非非線性整流負載的總功率與非線性負載整流用電負載的總功率,從而可以識別計算出惡性整流負載。

4.3 射頻通信程序

組建一個完整的動態網絡ZigBee網絡聯絡動態網狀系統動態優化網絡一般可以認為包括兩個主要優化步驟:絡狀動態網絡優化節點系統初始化、節點初始化和加入新的絡狀動態網絡,其中從在一個節點初始化中加入新的絡狀動態網絡又一般可以認為包括兩個主要優化步驟:其中包括通過與絡狀網絡管理協調器之間通過連接絡狀網絡優化入網和通過網絡連接加入已有父網的節點加入網絡和在兩個節點之間通過連接絡狀網絡優化入網。一個新的拓撲絡狀動態網絡可以包括一個節點初始和網絡優化的工作流程一般為:(1)需要確定一個網絡信道協調器;(2)需要進行網絡信道能量掃描技術過程。其中包括被動能量信道掃描和主動能量掃描兩個技術過程:(3)需要設置一個網絡信道id。而在我們已經找到合適的一個使用網絡節點使用對應信道后,協調器將為每個新的使用網絡對應信道使用節點分別重新選定一個我們可以將它放在自己整個網絡上的使用信道節點標識符,這個網絡id標識在所需要使用的網絡信道中應該是唯一的。