基于物联网技术的校园用电监控系统设计*

钱承山,毛海强,张永宏,张 静,张 建,王廷廷,李海峰

(1.南京信息工程大学计算机与软件学院,南京 21004;2.南京信息工程大学信息与控制学院,南京 210044)

基于物联网技术的校园用电监控系统设计*

钱承山1*,毛海强2,张永宏2,张 静1,张 建2,王廷廷2,李海峰2

(1.南京信息工程大学计算机与软件学院,南京 21004;2.南京信息工程大学信息与控制学院,南京 210044)

针对目前校园用电智能化管理的需求,设计了一种基于物联网技术的校园用电监控系统。系统无线传感网络以电能监测芯片CS5460A和ZigBee模块CC2530为核心,监测用电数据,定时将采集的电流、电压和电功率发送至上位机。上位机软件采用C#语言在Visual studio 2012开发环境下设计而成,实现管理节点、处理数据以及根据监测结果向相应节点发送报警或通断电指令等功能。实践结果表明,该系统稳定可靠、精确度高、易于扩展和维护。

ZigBee;CC2530;用电监控;物联网;C#

近年,频发的高校火灾事故无时无刻不在威胁着在校师生的生命财产安全,在高校火灾事故案例中,学生宿舍发生火灾的情况占有很大比例[1-2]。为了保障用电安全,许多高校在宿舍安装了用电管理系统对用电情况进行监控。然而,现有的用电监控系统多采用RS485总线方式,挂接节点的数量受线路电气特性限制,搭建包含大量节点的系统投入成本过高,不利于扩展。总线方式同时还存在布线工程巨大,线路复杂,故障点查找与线路更换麻烦,维护不便等缺陷[3]。

随着物联网技术的飞速发展,无线通信技术已经在数据采集和信息交互领域得到广泛应用[4]。现有的无线通信技术中,蓝牙组网规模小,距离近;WI-FI覆盖范围有限,功耗大;GPRS(General Packet Radio Service)成本高,不利于推广[5]。考虑以上无线通信方式的弊端,提出一种基于ZigBee无线通信技术的校园用电监控系统。该系统利用ZigBee功耗低、组网灵活、性价比高、短时延等特点[6],通过无线网络实现监控节点与上位机之间的数据通信。监控节点以CC2530为主控单元实现电能监测和数据传输,可对楼层内任意位置进行用电监控,具有低成本、体积小、灵活性高等优点。

1 系统总体设计

系统主要包括上位机和无线传感网络两部分,整体设计结构如图1所示。无线传感网络采用树状拓扑结构,以一个协调器为核心辅以多个路由器和监控节点。以学生宿舍用电管理为例,系统工作时,监控节点定时读取宿舍用电数据,经由路由器发送到协调器,再通过串口传至上位机。上位机实现管理网络节点,处理、显示以及存储监测数据,向违规用电宿舍发出报警,对于多次报警或严重违规宿舍自动断电,断电宿舍可由管理员手动恢复,上位机还可以存储宿舍用电数据以供查阅。

图3 电能监测部分电路图

图1 系统总体设计结构图

2 系统硬件设计

2.1 监控节点设计

监控节点实现监测宿舍用电情况、无线通信以及执行上位机指令3个功能,其总体结构如图2所示,以CC2530芯片为核心,附以继电器模块、报警器模块、电能监测模块、外部存储器、天线以及一些外围电路。

图2 监控节点结构框图

主控单元采用支持ZigBee协议的SoC芯片CC2530,该芯片集成了RF收发模块和增强型8051CPU内核[7]。通过I/O端口与CS5460A片上双向SPI接口相连,CC2530可以实现对电能监测模块的控制,包括初始化电路、设置其工作状态以及读取监测结果。电能监测部分具体硬件电路如图3所示,选用Cirrus Logic公司生产的电能监测专用芯片CS5460A对采样信号进行处理。CS5460A内部包含两个ΔΣ模-数转换器、高通滤波器和低通滤波器,具有相位补偿和数字校准功能,有等待和休眠两种节能模式可供选择,以其为核心设计的电度表精度可达0.5级[8]。考虑CS5460A差模输入电压不能超过±250 mV,采用隔离法对电压电流进行采样,电压采集电路中,2 mA/2 mA电流型电压互感器T1配合电阻R3将电压信号转变为电流信号,电阻R4采样电流信号生成符合输入条件电压信号。电阻R1、R6与电容C1、C2、C3构成抗混淆滤波器,同时也是低通滤波器,其中电阻R1、R6还可为输入引脚VIN+和VIN-提供限流保护;电流采样电路中,变比为1 000∶1的电流互感器T2结合采样电阻R11将被测电流转变为低压信号,同样经过滤波电路输入电能监测芯片。

监控节点上电初始化需要校准电能监测模块,校准过程需要提供空载和满载两种状态,工作时不便于重复进行,选用非易失性外部存储芯片24LC256存放一次校准得到的修正值。CC2530通过I2C接口与存储芯片相连实现数据读写,上电时直接读取存储内容写入CS5460A对应的寄存器即可完成校准。

2.2 路由器与协调器设计

路由器与协调器是无线传感网络的重要组成部分,协调器负责建立无线网络,发送子节点的数据包至上位机,接受上位机的指令向子节点广播;而路由器处于协调器与监控节点之间,实现网络拓展和数据转接。路由器和协调器的主体部分都是基于CC2530设计,电路如图4所示,为了保证无线网络的稳定性,添加了RFX2401C功率放大芯片作为射频前端以增强信号强度。CC2530通过引脚P1_5、P1_4以及巴伦匹配电路连接RFX2401C,天线则通过RP-SMA接口与RFX2401C相连实现数据的收发。

不同于路由器,协调器需要通过串口与上位机进行通信。选用CH340T芯片为协调器设计串口通信电路,电路如图5所示,CC2530通过I/O端口直接连接CH340T芯片的TXD、RXD以及RTS引脚进行数据传输。

图5 串口通信电路

图4 路由器和协调器协调器主体电路

3 系统软件设计

3.1 ZigBee程序设计

ZigBee程序基于Z-Stack协议栈设计,在IAR Embedded Workbech开发环境中完成,包括监控节点程序、路由器程序和协调器程序。CC2530没有集成SPI和I2C这两个接口,监控节点程序设计时,需设置USART0控制器运行在SPI模式下,同时设置I/O端口并移植I2C程序以模拟I2C接口读写。路由器和协调器加装了功率放大芯片,编程时同样需要对相应引脚和宏定义进行配置。

考虑到相同设备的干扰以及数据安全传输,ZigBee程序设计时采用了AES加密。AES是美国国家标准与技术研究所建立的高级数字加密标准规范,ZigBee传输过程中,数据采用AES加密算法能够有效提高系统的安全性和抗干扰能力[9]。

监控节点上电后,初始化ZigBee模块和电能监测模块,搜索并加入协调器建立的网络,定时读取宿舍用电数据和节点地址封装成数据包发往协调器;当接收到协调器的广播消息时,根据消息中的地址信息判断本节点是否是目标节点,若是,则处理消息,否则忽视本条消息。考虑降低节点能耗,若当前没有事件需要处理,监控节点自动进入休眠状态,其休眠包括ZigBee模块休眠和电能监测模块休眠。系统定时结束,需要读取并发送监测数据时,唤醒两个休眠模块,处理其他事件只唤醒ZigBee模块。协调器启动时,首先选定信道和网络标识符建立无线网络,之后就和路由器一样,接受子节点加入网络,向上传输数据包,向下广播指令。ZigBee程序主体流程如图6所示。

3.2 上位机软件设计

上位机软件基于C#语言在Visual studio 2012开发环境下编写而成,Visual studio是当前Windows平台下最受欢迎的应用程序集成开发环境[10]。上位机软件可以匹配节点地址与宿舍号,设置串口属性,调整报警阈值,当接收到协调器上传的数据包时,上位机还可以处理数据实现动态显示,绘制任意节点的实时曲线,查询历史数据和报警记录。对于违规用电宿舍,用电超出部分在设定值的百分之十以内发送报警指令,超过百分之十或者当天报警累计超过三次则直接发送断电指令,断电宿舍可由管理员手动恢复。

上位机与无线传感网之间的通信协议如表1与表2所示,其中,表1为监控节点上传数据协议,表2为上位机操作指令协议。对于监控节点上传的数据包,上位机首先获取帧头和帧尾进行确认,然后分析节点地址,处理监测数据;当监控节点接收到上位机指令包时,同样判定帧头、帧尾以及节点地址,根据判定结果决定是否执行相应指令。

图6 ZigBee程序流程图

名称内容字节/byte帧头0x551节点地址Addr2电压Voltage2电流Current2电功率Power4帧尾0xAA1

表2 上位机操作指令协议

3.3 实验

系统设计完成后进行实验,在宿舍楼的1层～5层各选取10个宿舍加装监控节点,各楼层安装路由器进行数据转接。系统工作时,在上位机软件中绑定节点地址与宿舍号,设置串口和报警阈值,设置界面如图7所示,设定波特率115 200,数据位为8,报警电流4 A,报警功率1 000 W。上位机软件主界面的左侧以列表的方式显示各宿舍当前用电数据,包括电流、电压、电功率、时间以及对应宿舍号,每两秒刷新一次,上位机主界面如图8所示,点击列表中任意一行,主界面右侧显示当前行所对应宿舍号,同时显示出该宿舍用电情况动态曲线。对于上位机所记录的历史数据可以根据宿舍号和日期进行查询,图9所示为记录数据查询界面,监测结果中电流、电压、电功率单位分别为安培(A)、伏(V)和瓦(W)。

图7 上位机设置界面

图8 上位机主界面

图9 监测记录查询

4 结束语

本文提出了一种基于物联网技术的校园用电监控系统,详细介绍了整个系统的设计原理和工作过程。系统选用电能监测专用芯片CS5460A实现对宿舍用电数据的精确测量,通过无线网络进行数据交互,可以监控楼层内任何功能分区的用电情况。数据传输采用了AES加密算法提高系统的稳定性和安全性。实验结果表明,该系统具有低功耗,低成本,安装灵活,抗干扰能力强和易于维护等优点,有广阔的应用前景。

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

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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

项目来源:国家自然科学基金面上项目(51575283)

2016-07-27修改日期2016-09-20

TP274

A

1005-9490(2017)05-1266-06

钱承山(1971-),男,汉族,山东泰安,南京信息工程大学,教授,硕士生导师,主要研究方向为智能终端与物联网应用、非线性系统控制、自动检测技术,qianchengshan@163.com;

毛海强(1991-),男,汉族,江苏泰州,南京信息工程大学,硕士研究生,研究方向为智能终端与物联网应用、自动检测技术,642450204@qq.com。