基于WSN架构的企业级用户用电监测系统设计

马斐 雷景生

摘要

为了实现电力用电信息的智能化监测与管理，基于无线传感器网络（WSN）技术，设计并实现了基于树莓派卡片计算机和电能计量芯片RN8209G的智能用电监测系统，该系统具有智能电能采集、用电监测和能耗管理等功能。对该系统进行了硬件功能测试和组网通信测试实验，实验验证了该用电监测系统可实现用户侧远程用电监测功能并具有良好的实时性和准确性。

【关键词】物联网 树莓派 电能监测 RN8209G

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成的，由无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是对网络覆盖区域中感知对象的信息进行协作感知、采集和处理，并发送给监测者.本文中提到的用户监测无线传感器网络系统结构是由以通讯为目的、大量的、小型以及微型数据采集设备构成，具有动态性、适应性和分布处理能力，适用于智能用电监测及控制系统，并基于一个电能监测WSN网络，来实现WSN协议向TCP协议的数据传输转换，以及实现个人访问远端服务器的功能。现代物联网技术的发展日新月异，WSN（无线传感器网络）作为綜合了传感器、无线通信、及嵌入式技术等3大技术的热门通信领域，可以实现人与自然物以及物与物对话的无处不在的通讯和计算。目前，国内大多数企业和家庭使用的是单项或电子式电能表，其处理能力有限、可操作性差、信息存储少，只能读出用电量总和，无法对各种用电设备的能耗信息进行区分，无法满足用户想了解某个用电设备能耗信息的要求，无法解决规模化用电用户构成的群体集中监控问题。物联网的发展为电能信息的采集提供了新思路，物联网集成了感知、网络、计算机等技术，使人与人、人与物、物与物之间的交流成为可能。

本文结合当前热门的物联网无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）技术，设计了基于树莓派（Raspberry）的用户用电监测无线传感系统，并通过实验进行了节点组网测试.利用用电信息采集节点，可以实现更广泛的电能信息采集、监测用户用电设备的电压、电流及负载功率、累计用电量等信息，并通过无线Wi-Fi模块将获得的数据发送至指定的云平台服务器，为后续的用户侧用电行为分析提供更加充足的数据源，可以有效提升用户用电感知体验度。

1 系统总体方案

整个系统的原理设计框图如图1所示。各个采集节点通过WSN无线网络与树莓派相连，在每个单元楼配置一台监控主机，通过Web架构实现WSN架构的远程监测，汇总各采集节点的监测数据，实现用户用电的集中化管理。

1.1 系统硬件设计及实现

电能采集节点的硬件设计要保证采集数据精度高、可靠性强，同时又要尽可能采用体积小、成本低的芯片。电能采集节点的采样芯片采用锐能微公司出品的电能计量芯片RN8209G，RN8209G能够测量有功功率、有功能耗，并能同时提供电流有效值、电压有效值、线频率、过零中断等采集数据信息RN8209G共有三路ADC，分别用于相线电流、零线电流和电压采样。RN8209G提供两个串行接口SPI和UART，本设计使用UART通用异步串行口与Wi-Fi无线模块连接，UART通信硬件上只需两根线，一根用于发送（TX），一根用于接收（RN），便可实现与 WIFI模块之间的数据通讯。采集节点硬件设计如图2所示，节点电源设计将220V交流电经过稳压集成电路变压、整流和滤波后输出直流5V输入下一级采样电路，最后通过降压芯片SPX1117来实现5V到3.3V的电压转换，确保为整个节点电路各功能模块提供稳定的电源输入。

节点Wi-Fi通讯模块选用汉枫HF-A11，该型号Wi-Fi模块支持TCP/IP/UDP三种模式的网络传输协议，支持STA/AP/AP+STA三种工作模式，可通过AT+指令集或web网页对Wi-Fi模块进行参数配置;HF-A11最多支持32个TCP连接，极大丰富了无线连接设备的网络接口资源。节点Wi-Fi在空旷区域有效无线传输距离大致为25米，穿过障碍物的有效距离约10米，所有数据最后汇聚传入树莓派，其传输性能足以满足家庭级及小型商业用户的需求，Wi-Fi模块作为透明传输通道，可以实现将树莓派传来的指令发送给计量模块，同时把计量模块采集到的电能数据信息发送至云端服务器。

控制器选取树莓派3B作为整个系统的数据采集汇聚单元，将每隔5s各个节点采集的数据进行汇聚，发送到远端服务器。数莓派3B型构建在最新博通2837 ARMv8 64位处理器上，采用1.2GHz、四核工艺，1GB RAM，与其上一代相比，速度更快;4个USB端口、40针扩展GPIO端口，拓展功能更强大，凭借其内置的无线和蓝牙连接，它将成为支持物联网的理想解决方案。其操作平台以Python作为主要编程语言，支持Java、BBC BASIC、C和Perl等编程语言.其强大的数据处理功能、可扩展性以及便携性，为电力监测无线传感器网络的设计创新提供了新的解决思路和理念。在本设计中通过树莓派实现了电能监测的WSN无线传感器网络控制端与各设备间的数据交互，监测的数据包含各节点设备的电压、电流、功率、电量及数据传输的路径等信息.

1.2 软件设计实现

系统软件程序的设计，主要起着控制节点采集，上传采集数据等作用，程序设计流程如图3所示。系统上电后，首先要对RN8209G系统初始化和配置，然后树莓派通过访问RN8209G的串口引脚读取芯片的数据，并将数据封装后发送给基站，如果接收到服务器传来的数据接收超时标志并显示异常状态标识，系统则直接自动重启初始化程序。

1.3 服务器搭建及数据监测

在整个监测系统（图4）中，树莓派作为控制单元部分，以多线程模式设置TCP协议下的套接字服务器，实现传感器监测数据的收发。通过检测待发送数据的完整性，下一步通过对各个通讯设备端口是否连接进行询问，确认连接后发出监测数据。虽然树莓派基于Linux系统，但基于TCP协议传输的数据可以适用于各个操作系统终端下的接收，因此具有一定的兼容性和灵活性。若没有对数据进行永久存储的需要，即无其他终端访问时，用于数据发送的缓存中的数据则会被定时清空。

2 实验测试

为保证节点具有较高的计量精度以及传输数据的稳定性和可靠性，在室内环境下，对10个节点进行了集中测试，分别进行了节点计量准确度测试（表1）和组网通信测试（表2）。为了测试数据准确性，利用标准表和万用表分别对笔记本电脑负载、饮水机负载进行了24小时测试，与节点测试数据比较如表1所示。通过比较结果得出，设计的节点与标准表所测数据误差不超过±0.5%，测量精度满足0.5级标准的设计要求。

3 结论

智能控制用电监测节点可以实现用户远程用电监测，实时反映用户用电状况，以期达到实时监控和合理用电的目的。基于树莓派卡片计算机和电能计量芯片RN8209G的智能用电监测系统的设计，实现了节点电流、电压和用电量等电能数据的采集、传输与监测。通过上位机软件可以对各个节点的数据进行实时监测与管理。在5mx8m范围的室内环境下部署的10个节点，对节点进行了电能计量测试和组网通信距离测试，结果表明，平均200个数据包丢包8个即丢包率不超过5%，计量精度满足0.5级，该系统的用电监测指标满足设计要求。

参考文献

[1]钱志宏，王义君.面向物联网的无线传感器网络综述[J].电子与信息学报，2012，35（01）：215-224.

[2]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报，2009，23（12）：1-7.

[3]宁焕生，徐群玉.全球物联网发展及中国物联网建设若干思考[J].电子学报，2010，38（11）：2590-2598.

[4]沈苏彬，林闯.专题前言：物联网研究的机遇与挑战[J].软件学报，2014，25（08）：1621-1624.

[5]霍听泽.基于树莓派的智能监控系统[J].现代工业经济和信息化，2017，7（11）：105-106.

[6]苏祥林，陈文艺，闫洒洒.基于树毒派的物联网开放平台[J].电子科技，2015，28（09）：35-41.

[7]殷贤华，刘明缘等.基于Raspberry Pi的智能家居系统设计[J].现代电子技术，2016，39（23）：161-164.