基于ZigBee的智能用电管理系统设计

冯明卿，陈亚琨，王一妹

（郑州电力高等专科学校，河南郑州，450001）

1 ZigBee简介

ZigBee射频网络通信是一种新兴的可以利用各种短距离、低功耗成本和高功耗、低成本和高数据网络传输速率、低成本、低数据网络通信复杂度的新型利用无线网络射频通信通讯技术。其无线网络协议的基本结构最初是为了充分参考符合国际标准的新型利用开放无线通信技术系统无线网络互连射频网络通信模型而对其进行重新设计的,主要基本结构部分包括物理层、媒质访问控制系统管理层、网络层和无线网络应用程序控制层。

2 智能用电管理系统结构与系统功能

2.1 系统结构图

系统结构设计如软件图1所示。需要在每个高校学生宿舍的本地中心电能系统控制管理表内，分别重新安装一个RF的本地通信电能控制管理模块,从而组成一个全新的本地ZigBee本地通信控制节点,然后在高校的每栋学生楼的宿舍楼上都会分别有一个新的本地ZigBee通信节点来作为新的中心电能控制管理节点,而这个节点与每个本地中心电能控制管理节点之间，就会分别组成一个本地中心电能管理控制表的管理网络,而中心电能控制管理节点就会通过本地电能校园网与本地电能管理表的中心监控微机进行通信相连。通过这种方式本地电能管理表的中心监控微机，便可以通过电能控制管理网络来向每个本地电能管理表控制节点，去分别实施实时自动抄录电能报表和实时数据采集管理。

图1 系统结构设计如软件图

2.2 系统功能

(1)系统实施用电定时预付费制;采用先交钱后用电的模式，当电即将用完的时候会根据其情况发出警报。

(2)在学校实施用户限电制度管理;在学校宿舍楼实行限电，既能保证节约用电还能做好用电安全。

(3)每个特定用户设备电能自动识别样本表都应具有一个功能自动地对进行不可恶性化的特定负载进行自动识别。

(4)发现用户实际用电负载功率不足或超过电表管理职能部门为其自行设计的供电限定负载功率时,电表正常进行供电。

3 智能电能表硬件设计

电能管理控制电路表是由智能电源管理主控制负载管理系统模块、恶性智能电源管理负载计量并行自动检测系统控制管理模块、电能电源管理负载计量系统控制管理模块、电源模块、显示系统控制管理模块、射频网和无线通信系统控制管理模块以及存储模块七个大部分共同设计组成。其中电源主控制管理模块上则选用AT89S52,存储器控制模块上则选用24C64。

3.1 电能计量模块电路

能量式电流计量方法取样器是选择器的ADE7755,计量方式取样器的电路结构如下如下如图2所示:当其通过一个电流计量取样电路信号输出电阻电路中的R0把与之的一个电流计量取样电路信号电阻进行电压转换后它就成为一个电流计量取样电路信号内阻电压降是加在AD7755的一个V1输入输出端,与接在线上的电压输出成正比的信号电压后将信号电流加在线的V2输入输出端,V1、v 2两两个输入端的信号模拟量,经过内部优化处理后就会产生一个常数为3200mp/kwh(高频脉冲数/千瓦小时)的高频信号脉冲从线的CF端输出,该高频脉冲生成信号,经过一个光电耦合器之后送入微微单片机的P3.4端进行计量。

图2 计量方式取样器的电路结构图

3.2 恶性负载检测电路模块

恶性电子设备上的负载(具体例如说例如家用燃煤电炉、电暖器、电热毯等)，一般来说是一类用于线性电子设备上的负载,而这种类型的线性设备负载一般仅仅通过交流稳压电阻电子元件直接组成,几乎不可能完全包含通过交流稳压电容等线性电子元件,所以其直接发出输入，然后通过一系列的比对，就会发现通过交流稳阻电压稳定脉动时的波形与直接发出输入交流稳压脉动电流稳定脉动时的波形在基本结构以及形状上一般应该是一致的。然而通过对一些计算机、电视机之类的非线性电子设备上负载的观察,也不难发现在这类线性设备负载下的集成电路中一般基本不会发现有通过交流稳压电容稳定电源波的存在,这样就可能使得线性负载集成电源只有在发出输入电压高于通过交流稳压电容稳定交流电压时电源才能正常做功,这样一来就会导致直接发出输入交流稳压稳定电流脉动波形也会发生较大脉动畸变,所以对于这类交流负载线性设备来说,虽然直接发出输入的电压高于通过交流稳定值的电压脉动波形一般是一个正或负弦形的脉动波形,但其直接发出输入电压高于通过交流电容稳压稳定电流的一个正弦脉动波形却严重地会发生较大畸变,呈一个短波形的脉冲状。利用这一技术特点,通过对不同电流图型波形图进行各种周期性测量采样,求出不同电流图型波形在正半周内的图形面积,利用不同电流负载上的对应不同电流图型波形正半周内的面积不同这一基本原理方法来准确识别不同负载。

4 智能电能表软件设计

电能电压表显示软件由电能主程序、电能显示计量控制程序、显示射频程序、通信报警程序、恶性电源负载电能识别检测程序、报警识别程序等部分组成。

4.1 主程序流程

图3 主程序工作流程图

主程序工作流程如下的图3所示,当用户设定了计量限电与不限量允许恶性使用负载时,电能万用表计量检测器向用户检查是否发现用电次数超限或检测是否发现有恶性用电负载时并识别用电信号,如发现用电次数超限或有恶性用电负载时自动报警,10s后再次进行检测,如发现违规没有被取消则自动断电5min。如果无任何违规取消用电,则正常程序执行公用电能表的计量与用电通信检测程序。

4.2 恶性负载检测程序

实际的各种用电整流负载需要既有非非线性整流负载,又要具有非线性负载整流用电负载,这样就使用电负载的整流输入输出电流密度呈现出混合性的波形。利用软件设计识别恶性整流负载的一种方法一般是:先行假设其中的线性正弦曲是波幅度小值为大的k1,非线性正弦曲的波幅度大值为小的k2,通过对一个幅值为1的k1+k2的正弦波与它的实际波在[0-x]上进行积分后在面积上的相差比原来可以求出非非线性整流负载的输入电流密度幅值,即k1及非线性负载整流用电负载的输入电流密度幅值均为k2,据此方法来可计算出整流电路中所需要包含的非非线性整流负载的总功率与非线性负载整流用电负载的总功率,从而可以识别计算出恶性整流负载。

4.3 射频通信程序

组建一个完整的动态网络ZigBee网络联络动态网状系统动态优化网络一般可以认为包括两个主要优化步骤:络状动态网络优化节点系统初始化、节点初始化和加入新的络状动态网络,其中从在一个节点初始化中加入新的络状动态网络又一般可以认为包括两个主要优化步骤:其中包括通过与络状网络管理协调器之间通过连接络状网络优化入网和通过网络连接加入已有父网的节点加入网络和在两个节点之间通过连接络状网络优化入网。一个新的拓扑络状动态网络可以包括一个节点初始和网络优化的工作流程一般为:(1)需要确定一个网络信道协调器;(2)需要进行网络信道能量扫描技术过程。其中包括被动能量信道扫描和主动能量扫描两个技术过程:(3)需要设置一个网络信道id。而在我们已经找到合适的一个使用网络节点使用对应信道后,协调器将为每个新的使用网络对应信道使用节点分别重新选定一个我们可以将它放在自己整个网络上的使用信道节点标识符,这个网络id标识在所需要使用的网络信道中应该是唯一的。