王瑛輝 石理碧 孫 堅

(浙江杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院 ，杭州 310019)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速增長，我國的能源消耗總量居世界第二，而我國人均能源資源占有量卻只有世界平均水平的40%，因此提高能源利用率促進節(jié)能減排已成為我國重要任務(wù)之一，其中能源計量成為實現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵。能源計量是指在能源流程中，對各環(huán)節(jié)的數(shù)量、 質(zhì)量、性能參數(shù)及相關(guān)的特征參數(shù)等進行檢測、度量和計算，以達到提高能源利用效率、節(jié)約能源的目的。

目前我國能源計量缺乏經(jīng)濟、適用和可靠性高的計量手段，不能做到及時采集數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計與分析，提供用能決策依據(jù)。如果采用傳統(tǒng)的有線方式來進行能源計量，需要鋪設(shè)大量的電纜、網(wǎng)線、光纖以構(gòu)成傳輸網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)備建設(shè)和維護成本很高。因此我們可借助于通訊可靠、費用合理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。ZigBee技術(shù)是采用IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的新一代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有數(shù)據(jù)傳輸能力強、可靠性高及成本低廉的特點。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是功耗與成本最低的技術(shù)，能更好地滿足能源計量的要求。

1 能源計量系統(tǒng)方案設(shè)計

能源計量系統(tǒng)是一種基于WEB的現(xiàn)代化能源管理平臺，可以對用能單位的能耗數(shù)據(jù)進行采集、存儲、分析和統(tǒng)計查詢，為用能單位的節(jié)能提供科學依據(jù)，并為能源計量審查提供科學數(shù)據(jù)參考。能源計量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,能源計量器具通過RS485接口與ZigBee模塊連接，各能源計量器具的數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee模塊傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器將采集到的數(shù)據(jù)進行處理，通過局域網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器。管理平臺可以通過互聯(lián)網(wǎng)來訪問數(shù)據(jù)頁面。

圖1 能源計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 ZigBee節(jié)點的硬件設(shè)計

由于ZigBee模塊要與能源計量器具一起使用或獨立使用，并要使用電池供電，要求ZigBee模塊體積小、低功耗和高可靠性。因此，我們選用了Jennic公司生產(chǎn)的JN5139模塊。JN5139完全兼容2.4GHz IEEE802.15.4收發(fā)器，采用2.2～3.6V電壓供電，接收靈敏度高達-97dBm，發(fā)射功率為+3dBm，深度睡眠時僅消耗電流0.2μA，非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.1 ZigBee節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖

ZigBee節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由JN5139模塊、RS232和RS485通信端口、電源模塊、I/O接口4部分組成。電源模塊采用電池供電，RS232 接口用于程序的編寫、調(diào)試,RS485 接口用于連接能源計量器具，采集計量器具的數(shù)據(jù)。擴展I/O口用于連接其他外部設(shè)備，增加節(jié)點的可擴展性。

圖2 ZigBee節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

2.2 JN5139模塊

如圖3所示的JN5139模塊集成了32 位RISC處理器、48字節(jié)OTP eFuse、128 KB FLASH、192 KBROM、96 KB RAM、RF收發(fā)器，并提供了4路12位ADC、2路11位DAC，2個比較器、2個用戶計時器、3個系統(tǒng)計時器，2個UART(其中一個用于系統(tǒng)調(diào)試)，1個帶有5個片選線的SPI接口，1個2線串行接口,21個通用I/O口。

圖3 JN5139模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3 RS485模塊

如圖4所示，RS485模塊采用SP3485芯片與能源計量器具連接，能源計量器具的485信號通過SP3485芯片轉(zhuǎn)換為TTL信號，再傳輸?shù)絁N5139的串口UART1，實現(xiàn)ZigBee模塊與能源計量器具之間的通信。

圖4 RS485模塊結(jié)構(gòu)圖

2.4 RS232模塊

如圖5所示，RS232模塊采用MAX3232芯片，將計算機TS232串口輸出的信號轉(zhuǎn)換為TTL信號，將通信程序燒寫到JN5139芯片上，實現(xiàn)ZigBee節(jié)點間的通信。

圖5 RS232模塊結(jié)構(gòu)圖

3 ZigBee節(jié)點的軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器的主要功能是對ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點進行管理，允許節(jié)點的加入，并為各節(jié)點分配地址,然后和節(jié)點進行數(shù)據(jù)的傳輸，并將能源計量器具的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器。ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程圖如圖6所示。

ZigBee節(jié)點是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的主要執(zhí)行者，節(jié)點接收到協(xié)調(diào)器采集數(shù)據(jù)的命令后，自動進行數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，完成數(shù)據(jù)采集后進入休眠狀態(tài)，等待下一次數(shù)據(jù)采集命令。ZigBee節(jié)點的工作流程如圖7所示。

圖6 ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程圖

圖7 ZigBee節(jié)點工作流程圖

4 實測試驗

系統(tǒng)設(shè)計完成后，在我院能源計量中心對用電量進行了實驗，把數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)與能源計量器具的測量數(shù)據(jù)進行比較，表1為本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與能源計量器具測量數(shù)據(jù)的比較，可以看出系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與能源計量器具測量數(shù)據(jù)完全一致。

表1 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與能源計量器具的測量數(shù)據(jù)比較

5 結(jié)論

基于 ZigBee技術(shù)的能源計量系統(tǒng)發(fā)揮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在能源計量中的重要作用，為能源計量管理提供了準確可靠的數(shù)據(jù)，為進一步制定節(jié)能減排方案提供依據(jù)，達到優(yōu)化資源配置，可以帶來很大的經(jīng)濟效益，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 呂治安.ZigBee網(wǎng)路原理與應(yīng)用開發(fā)[ M] .北京：北京航空航天大學出版社，2008

[2] 張大蹤,楊 濤,魏東梅.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗設(shè)計綜述[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006 ,25(5)：10-14

[3] 李永彩,趙忠義,李海龍，張孟輝.基于VB的能源計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計量技術(shù)，2006(7)：56-58

[4] 任小洪,方剛,賀映光.ZigBee遠距離射頻識別系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 自動化儀表，2011，32(3) :8-11

[5] 王建國,訾旭華,胡陽軍.基于ZigBee技術(shù)的無線測控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008(5):42-44