基于WSN架構(gòu)的企業(yè)級用戶用電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

馬斐 雷景生

摘要

為了實現(xiàn)電力用電信息的智能化監(jiān)測與管理，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了基于樹莓派卡片計算機和電能計量芯片RN8209G的智能用電監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有智能電能采集、用電監(jiān)測和能耗管理等功能。對該系統(tǒng)進行了硬件功能測試和組網(wǎng)通信測試實驗，實驗驗證了該用電監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)用戶側(cè)遠程用電監(jiān)測功能并具有良好的實時性和準確性。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 樹莓派 電能監(jiān)測 RN8209G

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成的，由無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息進行協(xié)作感知、采集和處理，并發(fā)送給監(jiān)測者.本文中提到的用戶監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由以通訊為目的、大量的、小型以及微型數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成，具有動態(tài)性、適應(yīng)性和分布處理能力，適用于智能用電監(jiān)測及控制系統(tǒng)，并基于一個電能監(jiān)測WSN網(wǎng)絡(luò)，來實現(xiàn)WSN協(xié)議向TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換，以及實現(xiàn)個人訪問遠端服務(wù)器的功能?，F(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展日新月異，WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）作為綜合了傳感器、無線通信、及嵌入式技術(shù)等3大技術(shù)的熱門通信領(lǐng)域，可以實現(xiàn)人與自然物以及物與物對話的無處不在的通訊和計算。目前，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)和家庭使用的是單項或電子式電能表，其處理能力有限、可操作性差、信息存儲少，只能讀出用電量總和，無法對各種用電設(shè)備的能耗信息進行區(qū)分，無法滿足用戶想了解某個用電設(shè)備能耗信息的要求，無法解決規(guī)?；秒娪脩魳?gòu)成的群體集中監(jiān)控問題。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為電能信息的采集提供了新思路，物聯(lián)網(wǎng)集成了感知、網(wǎng)絡(luò)、計算機等技術(shù)，使人與人、人與物、物與物之間的交流成為可能。

本文結(jié)合當前熱門的物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）技術(shù)，設(shè)計了基于樹莓派（Raspberry）的用戶用電監(jiān)測無線傳感系統(tǒng)，并通過實驗進行了節(jié)點組網(wǎng)測試.利用用電信息采集節(jié)點，可以實現(xiàn)更廣泛的電能信息采集、監(jiān)測用戶用電設(shè)備的電壓、電流及負載功率、累計用電量等信息，并通過無線Wi-Fi模塊將獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送至指定的云平臺服務(wù)器，為后續(xù)的用戶側(cè)用電行為分析提供更加充足的數(shù)據(jù)源，可以有效提升用戶用電感知體驗度。

1 系統(tǒng)總體方案

整個系統(tǒng)的原理設(shè)計框圖如圖1所示。各個采集節(jié)點通過WSN無線網(wǎng)絡(luò)與樹莓派相連，在每個單元樓配置一臺監(jiān)控主機，通過Web架構(gòu)實現(xiàn)WSN架構(gòu)的遠程監(jiān)測，匯總各采集節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)用戶用電的集中化管理。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計及實現(xiàn)

電能采集節(jié)點的硬件設(shè)計要保證采集數(shù)據(jù)精度高、可靠性強，同時又要盡可能采用體積小、成本低的芯片。電能采集節(jié)點的采樣芯片采用銳能微公司出品的電能計量芯片RN8209G，RN8209G能夠測量有功功率、有功能耗，并能同時提供電流有效值、電壓有效值、線頻率、過零中斷等采集數(shù)據(jù)信息RN8209G共有三路ADC，分別用于相線電流、零線電流和電壓采樣。RN8209G提供兩個串行接口SPI和UART，本設(shè)計使用UART通用異步串行口與Wi-Fi無線模塊連接，UART通信硬件上只需兩根線，一根用于發(fā)送（TX），一根用于接收（RN），便可實現(xiàn)與 WIFI模塊之間的數(shù)據(jù)通訊。采集節(jié)點硬件設(shè)計如圖2所示，節(jié)點電源設(shè)計將220V交流電經(jīng)過穩(wěn)壓集成電路變壓、整流和濾波后輸出直流5V輸入下一級采樣電路，最后通過降壓芯片SPX1117來實現(xiàn)5V到3.3V的電壓轉(zhuǎn)換，確保為整個節(jié)點電路各功能模塊提供穩(wěn)定的電源輸入。

節(jié)點Wi-Fi通訊模塊選用漢楓HF-A11，該型號Wi-Fi模塊支持TCP/IP/UDP三種模式的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，支持STA/AP/AP+STA三種工作模式，可通過AT+指令集或web網(wǎng)頁對Wi-Fi模塊進行參數(shù)配置;HF-A11最多支持32個TCP連接，極大豐富了無線連接設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口資源。節(jié)點Wi-Fi在空曠區(qū)域有效無線傳輸距離大致為25米，穿過障礙物的有效距離約10米，所有數(shù)據(jù)最后匯聚傳入樹莓派，其傳輸性能足以滿足家庭級及小型商業(yè)用戶的需求，Wi-Fi模塊作為透明傳輸通道，可以實現(xiàn)將樹莓派傳來的指令發(fā)送給計量模塊，同時把計量模塊采集到的電能數(shù)據(jù)信息發(fā)送至云端服務(wù)器。

控制器選取樹莓派3B作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集匯聚單元，將每隔5s各個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行匯聚，發(fā)送到遠端服務(wù)器。數(shù)莓派3B型構(gòu)建在最新博通2837 ARMv8 64位處理器上，采用1.2GHz、四核工藝，1GB RAM，與其上一代相比，速度更快;4個USB端口、40針擴展GPIO端口，拓展功能更強大，憑借其內(nèi)置的無線和藍牙連接，它將成為支持物聯(lián)網(wǎng)的理想解決方案。其操作平臺以Python作為主要編程語言，支持Java、BBC BASIC、C和Perl等編程語言.其強大的數(shù)據(jù)處理功能、可擴展性以及便攜性，為電力監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計創(chuàng)新提供了新的解決思路和理念。在本設(shè)計中通過樹莓派實現(xiàn)了電能監(jiān)測的WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制端與各設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互，監(jiān)測的數(shù)據(jù)包含各節(jié)點設(shè)備的電壓、電流、功率、電量及數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂降刃畔?

1.2 軟件設(shè)計實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計，主要起著控制節(jié)點采集，上傳采集數(shù)據(jù)等作用，程序設(shè)計流程如圖3所示。系統(tǒng)上電后，首先要對RN8209G系統(tǒng)初始化和配置，然后樹莓派通過訪問RN8209G的串口引腳讀取芯片的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)封裝后發(fā)送給基站，如果接收到服務(wù)器傳來的數(shù)據(jù)接收超時標志并顯示異常狀態(tài)標識，系統(tǒng)則直接自動重啟初始化程序。

1.3 服務(wù)器搭建及數(shù)據(jù)監(jiān)測

在整個監(jiān)測系統(tǒng)（圖4）中，樹莓派作為控制單元部分，以多線程模式設(shè)置TCP協(xié)議下的套接字服務(wù)器，實現(xiàn)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的收發(fā)。通過檢測待發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性，下一步通過對各個通訊設(shè)備端口是否連接進行詢問，確認連接后發(fā)出監(jiān)測數(shù)據(jù)。雖然樹莓派基于Linux系統(tǒng)，但基于TCP協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以適用于各個操作系統(tǒng)終端下的接收，因此具有一定的兼容性和靈活性。若沒有對數(shù)據(jù)進行永久存儲的需要，即無其他終端訪問時，用于數(shù)據(jù)發(fā)送的緩存中的數(shù)據(jù)則會被定時清空。

2 實驗測試

為保證節(jié)點具有較高的計量精度以及傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，在室內(nèi)環(huán)境下，對10個節(jié)點進行了集中測試，分別進行了節(jié)點計量準確度測試（表1）和組網(wǎng)通信測試（表2）。為了測試數(shù)據(jù)準確性，利用標準表和萬用表分別對筆記本電腦負載、飲水機負載進行了24小時測試，與節(jié)點測試數(shù)據(jù)比較如表1所示。通過比較結(jié)果得出，設(shè)計的節(jié)點與標準表所測數(shù)據(jù)誤差不超過±0.5%，測量精度滿足0.5級標準的設(shè)計要求。

3 結(jié)論

智能控制用電監(jiān)測節(jié)點可以實現(xiàn)用戶遠程用電監(jiān)測，實時反映用戶用電狀況，以期達到實時監(jiān)控和合理用電的目的。基于樹莓派卡片計算機和電能計量芯片RN8209G的智能用電監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了節(jié)點電流、電壓和用電量等電能數(shù)據(jù)的采集、傳輸與監(jiān)測。通過上位機軟件可以對各個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測與管理。在5mx8m范圍的室內(nèi)環(huán)境下部署的10個節(jié)點，對節(jié)點進行了電能計量測試和組網(wǎng)通信距離測試，結(jié)果表明，平均200個數(shù)據(jù)包丟包8個即丟包率不超過5%，計量精度滿足0.5級，該系統(tǒng)的用電監(jiān)測指標滿足設(shè)計要求。

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