錢承山,毛海強(qiáng),張永宏,張 靜,張 建,王廷廷,李海峰

(1.南京信息工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院,南京 21004;2.南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院,南京 210044)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園用電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

錢承山1*,毛海強(qiáng)2,張永宏2,張 靜1,張 建2,王廷廷2,李海峰2

(1.南京信息工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院,南京 21004;2.南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院,南京 210044)

針對(duì)目前校園用電智能化管理的需求,設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園用電監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)以電能監(jiān)測(cè)芯片CS5460A和ZigBee模塊CC2530為核心,監(jiān)測(cè)用電數(shù)據(jù),定時(shí)將采集的電流、電壓和電功率發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)軟件采用C#語言在Visual studio 2012開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)而成,實(shí)現(xiàn)管理節(jié)點(diǎn)、處理數(shù)據(jù)以及根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果向相應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)警或通斷電指令等功能。實(shí)踐結(jié)果表明,該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、精確度高、易于擴(kuò)展和維護(hù)。

ZigBee;CC2530;用電監(jiān)控;物聯(lián)網(wǎng);C#

近年,頻發(fā)的高?；馂?zāi)事故無時(shí)無刻不在威脅著在校師生的生命財(cái)產(chǎn)安全,在高校火災(zāi)事故案例中,學(xué)生宿舍發(fā)生火災(zāi)的情況占有很大比例[1-2]。為了保障用電安全,許多高校在宿舍安裝了用電管理系統(tǒng)對(duì)用電情況進(jìn)行監(jiān)控。然而,現(xiàn)有的用電監(jiān)控系統(tǒng)多采用RS485總線方式,掛接節(jié)點(diǎn)的數(shù)量受線路電氣特性限制,搭建包含大量節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)投入成本過高,不利于擴(kuò)展?？偩€方式同時(shí)還存在布線工程巨大,線路復(fù)雜,故障點(diǎn)查找與線路更換麻煩,維護(hù)不便等缺陷[3]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,無線通信技術(shù)已經(jīng)在數(shù)據(jù)采集和信息交互領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。現(xiàn)有的無線通信技術(shù)中,藍(lán)牙組網(wǎng)規(guī)模小,距離近;WI-FI覆蓋范圍有限,功耗大;GPRS(General Packet Radio Service)成本高,不利于推廣[5]?？紤]以上無線通信方式的弊端,提出一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的校園用電監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用ZigBee功耗低、組網(wǎng)靈活、性價(jià)比高、短時(shí)延等特點(diǎn)[6],通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)以CC2530為主控單元實(shí)現(xiàn)電能監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸,可對(duì)樓層內(nèi)任意位置進(jìn)行用電監(jiān)控,具有低成本、體積小、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括上位機(jī)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)兩部分,整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以一個(gè)協(xié)調(diào)器為核心輔以多個(gè)路由器和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。以學(xué)生宿舍用電管理為例,系統(tǒng)工作時(shí),監(jiān)控節(jié)點(diǎn)定時(shí)讀取宿舍用電數(shù)據(jù),經(jīng)由路由器發(fā)送到協(xié)調(diào)器,再通過串口傳至上位機(jī)。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),處理、顯示以及存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),向違規(guī)用電宿舍發(fā)出報(bào)警,對(duì)于多次報(bào)警或嚴(yán)重違規(guī)宿舍自動(dòng)斷電,斷電宿舍可由管理員手動(dòng)恢復(fù),上位機(jī)還可以存儲(chǔ)宿舍用電數(shù)據(jù)以供查閱。

圖3 電能監(jiān)測(cè)部分電路圖

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)宿舍用電情況、無線通信以及執(zhí)行上位機(jī)指令3個(gè)功能,其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,以CC2530芯片為核心,附以繼電器模塊、報(bào)警器模塊、電能監(jiān)測(cè)模塊、外部存儲(chǔ)器、天線以及一些外圍電路。

圖2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

主控單元采用支持ZigBee協(xié)議的SoC芯片CC2530,該芯片集成了RF收發(fā)模塊和增強(qiáng)型8051CPU內(nèi)核[7]。通過I/O端口與CS5460A片上雙向SPI接口相連,CC2530可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能監(jiān)測(cè)模塊的控制,包括初始化電路、設(shè)置其工作狀態(tài)以及讀取監(jiān)測(cè)結(jié)果。電能監(jiān)測(cè)部分具體硬件電路如圖3所示,選用Cirrus Logic公司生產(chǎn)的電能監(jiān)測(cè)專用芯片CS5460A對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理。CS5460A內(nèi)部包含兩個(gè)ΔΣ模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、高通濾波器和低通濾波器,具有相位補(bǔ)償和數(shù)字校準(zhǔn)功能,有等待和休眠兩種節(jié)能模式可供選擇,以其為核心設(shè)計(jì)的電度表精度可達(dá)0.5級(jí)[8]。考慮CS5460A差模輸入電壓不能超過±250 mV,采用隔離法對(duì)電壓電流進(jìn)行采樣,電壓采集電路中,2 mA/2 mA電流型電壓互感器T1配合電阻R3將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào),電阻R4采樣電流信號(hào)生成符合輸入條件電壓信號(hào)。電阻R1、R6與電容C1、C2、C3構(gòu)成抗混淆濾波器,同時(shí)也是低通濾波器,其中電阻R1、R6還可為輸入引腳VIN+和VIN-提供限流保護(hù);電流采樣電路中,變比為1 000∶1的電流互感器T2結(jié)合采樣電阻R11將被測(cè)電流轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪盒盘?hào),同樣經(jīng)過濾波電路輸入電能監(jiān)測(cè)芯片。

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上電初始化需要校準(zhǔn)電能監(jiān)測(cè)模塊,校準(zhǔn)過程需要提供空載和滿載兩種狀態(tài),工作時(shí)不便于重復(fù)進(jìn)行,選用非易失性外部存儲(chǔ)芯片24LC256存放一次校準(zhǔn)得到的修正值。CC2530通過I2C接口與存儲(chǔ)芯片相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫,上電時(shí)直接讀取存儲(chǔ)內(nèi)容寫入CS5460A對(duì)應(yīng)的寄存器即可完成校準(zhǔn)。

2.2 路由器與協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

路由器與協(xié)調(diào)器是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立無線網(wǎng)絡(luò),發(fā)送子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包至上位機(jī),接受上位機(jī)的指令向子節(jié)點(diǎn)廣播;而路由器處于協(xié)調(diào)器與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓展和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接。路由器和協(xié)調(diào)器的主體部分都是基于CC2530設(shè)計(jì),電路如圖4所示,為了保證無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,添加了RFX2401C功率放大芯片作為射頻前端以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。CC2530通過引腳P1_5、P1_4以及巴倫匹配電路連接RFX2401C,天線則通過RP-SMA接口與RFX2401C相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

不同于路由器,協(xié)調(diào)器需要通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。選用CH340T芯片為協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)串口通信電路,電路如圖5所示,CC2530通過I/O端口直接連接CH340T芯片的TXD、RXD以及RTS引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 串口通信電路

圖4 路由器和協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器主體電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee程序設(shè)計(jì)

ZigBee程序基于Z-Stack協(xié)議棧設(shè)計(jì),在IAR Embedded Workbech開發(fā)環(huán)境中完成,包括監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序、路由器程序和協(xié)調(diào)器程序。CC2530沒有集成SPI和I2C這兩個(gè)接口,監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)時(shí),需設(shè)置USART0控制器運(yùn)行在SPI模式下,同時(shí)設(shè)置I/O端口并移植I2C程序以模擬I2C接口讀寫。路由器和協(xié)調(diào)器加裝了功率放大芯片,編程時(shí)同樣需要對(duì)相應(yīng)引腳和宏定義進(jìn)行配置。

考慮到相同設(shè)備的干擾以及數(shù)據(jù)安全傳輸,ZigBee程序設(shè)計(jì)時(shí)采用了AES加密。AES是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所建立的高級(jí)數(shù)字加密標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,ZigBee傳輸過程中,數(shù)據(jù)采用AES加密算法能夠有效提高系統(tǒng)的安全性和抗干擾能力[9]。

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上電后,初始化ZigBee模塊和電能監(jiān)測(cè)模塊,搜索并加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò),定時(shí)讀取宿舍用電數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)地址封裝成數(shù)據(jù)包發(fā)往協(xié)調(diào)器;當(dāng)接收到協(xié)調(diào)器的廣播消息時(shí),根據(jù)消息中的地址信息判斷本節(jié)點(diǎn)是否是目標(biāo)節(jié)點(diǎn),若是,則處理消息,否則忽視本條消息?？紤]降低節(jié)點(diǎn)能耗,若當(dāng)前沒有事件需要處理,監(jiān)控節(jié)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài),其休眠包括ZigBee模塊休眠和電能監(jiān)測(cè)模塊休眠。系統(tǒng)定時(shí)結(jié)束,需要讀取并發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),喚醒兩個(gè)休眠模塊,處理其他事件只喚醒ZigBee模塊。協(xié)調(diào)器啟動(dòng)時(shí),首先選定信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符建立無線網(wǎng)絡(luò),之后就和路由器一樣,接受子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),向上傳輸數(shù)據(jù)包,向下廣播指令。ZigBee程序主體流程如圖6所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件基于C#語言在Visual studio 2012開發(fā)環(huán)境下編寫而成,Visual studio是當(dāng)前Windows平臺(tái)下最受歡迎的應(yīng)用程序集成開發(fā)環(huán)境[10]。上位機(jī)軟件可以匹配節(jié)點(diǎn)地址與宿舍號(hào),設(shè)置串口屬性,調(diào)整報(bào)警閾值,當(dāng)接收到協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)包時(shí),上位機(jī)還可以處理數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示,繪制任意節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)曲線,查詢歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄。對(duì)于違規(guī)用電宿舍,用電超出部分在設(shè)定值的百分之十以內(nèi)發(fā)送報(bào)警指令,超過百分之十或者當(dāng)天報(bào)警累計(jì)超過三次則直接發(fā)送斷電指令,斷電宿舍可由管理員手動(dòng)恢復(fù)。

上位機(jī)與無線傳感網(wǎng)之間的通信協(xié)議如表1與表2所示,其中,表1為監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)協(xié)議,表2為上位機(jī)操作指令協(xié)議。對(duì)于監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)包,上位機(jī)首先獲取幀頭和幀尾進(jìn)行確認(rèn),然后分析節(jié)點(diǎn)地址,處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);當(dāng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)接收到上位機(jī)指令包時(shí),同樣判定幀頭、幀尾以及節(jié)點(diǎn)地址,根據(jù)判定結(jié)果決定是否執(zhí)行相應(yīng)指令。

圖6 ZigBee程序流程圖

名稱內(nèi)容字節(jié)/byte幀頭0x551節(jié)點(diǎn)地址Addr2電壓Voltage2電流Current2電功率Power4幀尾0xAA1

表2 上位機(jī)操作指令協(xié)議

3.3 實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在宿舍樓的1層～5層各選取10個(gè)宿舍加裝監(jiān)控節(jié)點(diǎn),各樓層安裝路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接。系統(tǒng)工作時(shí),在上位機(jī)軟件中綁定節(jié)點(diǎn)地址與宿舍號(hào),設(shè)置串口和報(bào)警閾值,設(shè)置界面如圖7所示,設(shè)定波特率115 200,數(shù)據(jù)位為8,報(bào)警電流4 A,報(bào)警功率1 000 W。上位機(jī)軟件主界面的左側(cè)以列表的方式顯示各宿舍當(dāng)前用電數(shù)據(jù),包括電流、電壓、電功率、時(shí)間以及對(duì)應(yīng)宿舍號(hào),每?jī)擅胨⑿乱淮?上位機(jī)主界面如圖8所示,點(diǎn)擊列表中任意一行,主界面右側(cè)顯示當(dāng)前行所對(duì)應(yīng)宿舍號(hào),同時(shí)顯示出該宿舍用電情況動(dòng)態(tài)曲線。對(duì)于上位機(jī)所記錄的歷史數(shù)據(jù)可以根據(jù)宿舍號(hào)和日期進(jìn)行查詢,圖9所示為記錄數(shù)據(jù)查詢界面,監(jiān)測(cè)結(jié)果中電流、電壓、電功率單位分別為安培(A)、伏(V)和瓦(W)。

圖7 上位機(jī)設(shè)置界面

圖8 上位機(jī)主界面

圖9 監(jiān)測(cè)記錄查詢

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園用電監(jiān)控系統(tǒng),詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和工作過程。系統(tǒng)選用電能監(jiān)測(cè)專用芯片CS5460A實(shí)現(xiàn)對(duì)宿舍用電數(shù)據(jù)的精確測(cè)量,通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,可以監(jiān)控樓層內(nèi)任何功能分區(qū)的用電情況。數(shù)據(jù)傳輸采用了AES加密算法提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有低功耗,低成本,安裝靈活,抗干擾能力強(qiáng)和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 章梁斌. 高校圖書館火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警與消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 廣州,華南理工大學(xué),2012.

[2] 鐘詩穎. 高校學(xué)生宿舍火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及控制研究[D]. 湖南,湖南科技大學(xué),2012.

[3] 郭湘勇,劉宏立,周平,等. 基于ZigBee技術(shù)的建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011,19(3):551-553.

[4] 農(nóng)高海. 應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)的低功耗CMOS溫度傳感器[J]. 電子器件,2016,39(4):790-792.

[5] 馮軍,寧志剛,陽璞瓊. 基于ZigBee的無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備,2010,30(8):108-111.

[6] 高金轉(zhuǎn),彭旭鋒,張會(huì)新,等. 基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電子器件,2016,39(3):546-549.

[7] Texas Instruments. CC2530 Datasheet[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[8] 裴亞琳,相 梁,嚴(yán)一民. 基于MSP430和CS5460A的無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2013,11(3):181-183.

[9] Yang Bin,Fu Renyi,Diao Jianzhong,et al. Security Mechanisms Analysis for ZigBee Standard Based on AES-CCM[J]. Advanced Materials Research,2012,468-471:1359-1362.

[10] 曹永健,錢承山,許強(qiáng),等. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的停車場(chǎng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(6):42-44.

DesignofCampusElectricityMonitoringSystemBasedonInternetofThings*

QIANChengshan1*,MAOHaiqiang2,ZHANGYonghong2,ZHANGJing1,ZHANGJian2,WANGTingting2,LIHaifeng2

(1.School of Computer and Software,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.School of Information and Control,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

According to the requirement of current campus electricity intelligent management,a campus electricity monitoring system was designed based on internet of things. Wireless sensor network of the system takes energy measurement chip CS5460A and CC2530 ZigBee module as a core which monitors the electricity data and sends the collected current,voltage and electric power to host computer regularly. The host computer software was designed with C# language in Visual studio 2012,it can realize the fuctions of managing nodes,processing data,sending alarms or power on-off instructions to corresponding node according to the monitoring results and so on. The experimental resualt shows that the system is stable and reliable,high precision,and easy to extend and maintain.

ZigBee;CC2530;electricity monitoring;internet of things;C#

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.041

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51575283)

2016-07-27修改日期2016-09-20

TP274

A

1005-9490(2017)05-1266-06

錢承山(1971-),男,漢族,山東泰安,南京信息工程大學(xué),教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橹悄芙K端與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、非線性系統(tǒng)控制、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù),qianchengshan@163.com;

毛海強(qiáng)(1991-),男,漢族,江蘇泰州,南京信息工程大學(xué),碩士研究生,研究方向?yàn)橹悄芙K端與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù),642450204@qq.com。