CN101425219A - 一种基于无线传感器网络的智能远传电表 - Google Patents

一种基于无线传感器网络的智能远传电表 Download PDF

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CN101425219A CNA2007100562403A CN200710056240A CN101425219A CN 101425219 A CN101425219 A CN 101425219A CN A2007100562403 A CNA2007100562403 A CN A2007100562403A CN 200710056240 A CN200710056240 A CN 200710056240A CN 101425219 A CN101425219 A CN 101425219A
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李超
牛斗
苏梅英
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Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的智能远传电表。智能电表设备的硬件包括：专用射频单元、微控制器单元、电源管理单元、电力信息采集单元、外部存储单元、液晶显示单元和故障检测单元。所述智能电表具有信息采集、计算、转发和路由等多种功能。智能电表通过射频单元，自动与其他智能电表形成电表网络，通过网关与供电企业的计算机***相连。本发明在应用时可以与其它基于ZigBee技术的无线公用事业产品相连，作为其它表网的基站。利用本发明，实现了远程供电企业与电力用户基于无线网络的可靠连接，实现了数据的双向传输，满足了电力企业的对居民用电管理的需求。

Description

一种基于无线传感器网络的智能远传电表
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术、远程抄表与数据采集领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络技术的智能化电力计量表设备。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)被认为是21世纪最重要的技术之一，是众多的传感器通过无线通信的方式，相互联系，处理、传递信息的网络。该网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，可以实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，传送给所需用户。无线传感器网络在军事、工业、交通、安全、医疗、探测以及家庭和办公环境等很多方面都有着广泛的用途，其研究、开发和应用，关系到国家安全、经济发展等各个重大方面，近年来在国际上引起了广泛的重视和投入。
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)结构如图1所示。无线传感器网络通常由传感器节点群、基站(sink节点)和管理节点组成。传感器节点分布于网络的各个部分，用于收集数据，并且将数据路由至基站。基站与管理节点通过广域网络(如Internet网络或者卫星网络)进行通信，以便管理节点对收集到的数据进行处理。
传统的远程电力抄表***包括有线和无线两种方式。中国专利90223666.0，92110485.5等公布了基于电力线载波的远传抄表***和装置。中国专利01107528.7公布了一种基于以太网电表数据采集器及通讯采集控制方法。中国专利CN1304030A，CN1414346A公开了基于无线的远程抄表的方法及远程抄表***。其中有线的抄表***存在***安装复杂，通信线路长期维护的费用高等特点；载波通信***的讯号和抗干扰性受电力网影响很大，民用效果不理想；而现有的普通无线抄表***使用的电表通常都需要租用公网，安装、维护和运行的费用较高；电表智能化程度低，不支持双向通信，无法升级；网络覆盖率小。
为了满足电力***服务的实际需要，结合基于ZigBee的无线传感器网络技术，设计实现新型智能远传电表，将有十分重要的意义。
发明内容
本发明根据上述现有技术，针对目前智能化电表设备的问题和不足之处，提供一种基于无线传感器网络的智能远传电表。以实现电力计量数据的实时采集，电力参数的无线网络远程传输，智能电表上的数据融合和电力表网网络数据的转发；支持本地电表的远程控制；支持电力电表网络的管理功能，包括：本地电表注册、电表状态、路由信息管理和本地故障诊断等。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于无线传感器网络的智能电表设备，该设备的硬件包括：专用射频单元，用于实现电表网络中各电表节点间的无线通信；微控制器单元，用于完成节点上的数据处理和逻辑运算，以及各单元的控制；电源管理单元，用于为节点各单元提供合适的电压、电流以及对突发掉电事件的检测与处理；电力信息采集单元，用于采集电表用户的用电信息；外部存储单元，用于掉电时存储电表工作参数及网络路由消息等；液晶显示单元，用于提供给电表使用者予电表工作状态和用电量、费用等信息；故障检测单元，用于检测电表硬件各单元故障。实时时钟单元，用于提供***时间，并可在液晶单元上显示实时时间。
优选地，智能电表设备作为一个采集及监控的终端节点，由单片SOC芯片CC2430构成专用射频单元和微控制器单元。
优选地，在CC2430中嵌入ZigBee协议栈，利用IEEE 802.15.4标准提供的2.4G免费频段与其他基于ZigBee产品无线数据通讯。
优选地，当智能电表网结构形成之后，每个智能电表节点处于电能量采集状态，采集电能量存放于内部存储器RAM中；当发生断电情况时，电表工作参数及网络路由消息等及时存入外部存储单元中，电力管理部门可以通过定时采集主动或被动两种方式对智能电表节点进行单用户抄送或集抄准确数据。由于网络拓扑结构已经形成，部分智能电表节点具有数据转发功能，能够接收其邻居电能表节点数据，并直接或间接发送给基站。液晶单元显示各工作智能电表节点的网络状态，当某电表节点长时间不在网内，电力管理部门通过有效的修复机制保证用户的正常用电。
智能电表通过专用射频单元与其它智能电表或者基于ZigBee的产品进行无线通信，形成一个自组织的智能电表网络。网络中的每一个智能电表同时具有数据采集、计算、转发和路由功能。智能表网的拓扑结构可以为星形和簇树，无线通信的范围将不受地理条件的制约。
本电表***支持预付费工作模式，用户网上缴纳费用后由控制中心将费率、电能数发送到节点保存，然后节点本身通过设置的费率及用电时间进行用电量的统计并存储，当购买电能量余额超过预设阀值，电表节点或控制中心对用户进行缴费提示。当电能量消耗超过用户购买电能量并欠费到某一额度时，控制中心可以及时采取远程断电措施。
如果当网络出现故障时，电表节点仍能单独管理用户的用电。当网络故障排除后又可以上传用户的信息。因表引起的无线通讯中断不影响单表数据采集和保存(仅影响本表数据的读出)，也不影响其它表数据的读出，即使本次读数时改表出现故障，只需重新发射数据，仍可以继续读表，其安全性和稳定性比较可靠。
本发明的远程抄表***不再局限于集中远程抄送模式，优选地，它既可以对单一用户在线抄读又可以对某楼宇或某住宅小区用户的电能信息集中读取而不需人工干预。每个电能表节点都有唯一的网络ID，控制中心向目标节点发送抄送命令，目标节点收到命令后，经确认后发送应答帧，该帧包括电能表节点ID，时间域，所耗电能量等有效信息。每个楼宇或住宅小区都设有基站，每个基站都存有该楼宇或小区所有用户的当前用电信息，控制中心施行远程集抄时，向目标基站发送集抄命令，基站收到命令后，在有效时间内更新相关节点数据信息，并将最新信息通过互联网发送给控制中心。
本发明中的智能更新可以使电表在升级时通过网络进行，只须控制中心发布新的程序代码，电表节点可以实现下载然后本地更新。无需回收电表人工更新。节点上的MCU支持Boot Loader功能，该功能提供了一个由MCU本身来下载程序代码的并进行自编程的机制。这一机制可以使***可以在MCU的控制下，通过运行驻留于程序Flash的Boot Loader代码，灵活地进行应用软件升级。
优选地，本***中的智能电表能够自主检测其信号强度和网络状态，***通过实时在线监测，判断设备通信状态、供断电状态、智能电能表节点是否失效等信息，从而进行在线管理。该***使电能表真正走向智能化、网络化。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的基于无线传感器网络技术的智能电表设备充分利用了ZigBee技术的低成本，低能耗，自组织网络，覆盖范围广等特点。相对于其它传统电表设备，本方案具有以下优点：
●高可靠性：相对现有的无线抄表设备和技术，本方案具有更高的冗余度，数据可以通过多条路径传输。
●低成本：除了降低人力成本之外，还具有很低的维护成本和使用成本。
●高安全性：采用了世界先进的数据网络通讯安全技术。
●高可扩展性：***的更新可以完全通过软件远程实现，而无须更换电表。
●有利于实现复杂的用电政策如阶梯电价、峰谷电价等，从而推动节能运动。
●提高用电业务管理水平：智能电表***能够让供电企业更好的掌握用户用电情况，为防止窃电、人情电提供了***和技术基础，可以收集更多的用电参数信息，如无功功率、有功功率、功率因数等，从而实现更高的业务管理功能。
附图说明
图1为典型的无线传感器网络体系结构示意图；
图2为本发明提供的智能电表硬件***结构示意图；
图3为本发明提供的基于无线传感器网络技术的智能电表网络拓扑结构示意图；
图4为本发明提供的电能采集处理***结构示意图；
图5为本发明提供微处理器单元和射频收发模块的电路原理图；
图6为本发明提供电量采集模块电路原理图；
图7为本发明提供继电器控制电路原理图；
图8为本发明提供异常告警电路原理图；
图9为本发明提供的电源管理模块电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图2所示，图2为本发明提供的智能电表硬件***结构框图，该电表设备至少包括电源/供给管理模块，电量采集模块，射频收发模块，实时时钟模块，控制/处理模块，液晶显示模块。
其中，电源供给/管理模块用于向MCU及电量采集模块提供3.0V电压，同时向射频收发模块提供1.8V电压，并且该模块具有一个行之有效的电压检测功能。电量采集模块主要负责计量用户所使用的电能。射频收发模块用于实现网络中的无线通信。实时时钟模块主要提供***本地时间，利于电表的多费率管理。控制/处理模块用于完成节点上的数据处理和逻辑运算，以及各单元的控制，同时提供掉电时电表工作参数及网络路由消息等存储功能；液晶显示模块，用于提供给电表使用者电表工作状态和用电量、费用等信息；异常告警模块，用于及时通知用户或控制中心欠费、偷、漏电等异常情况。基于图2所示的智能电表硬件***结构图，以下结合具体的实施例对本发明进一步详细说明。
实施例
本发明提供的智能电表硬件***结构图参见图2所示，智能电表通过电能采集模块将有功功率的信息以频率的形式输出，将脉冲信号输送到微控制器的计数器，经MCU处理后通过电表节点本身的射频收发模块将有效数据信息传播至无线网内，然后经过电表节点的路由、转发功能将数据发送给控制中心进行处理。
如图3所示，图3为依照本发明实施例提供的智能电表网络拓扑结构示意图，该网络结构属于星型网络，是IEEE 802.15.4标准支持的一种网络拓扑结构。各楼宇中的所有智能电表在本地完成电量采集后通过无线射频模块将数据发送给基站，即图中的网关节点，然后基站通过GPRS/CDMA等通信方式将数据上传给控制中心。
如图4所示，图4为依照本发明实施例提供的电能采集处理***示意图，图中提供的MCU和无线收发模块集成在一个芯片上。负载所耗电能通过灵活的模拟输入电路，经电力采集信息单元处理后以频率的形式输出。节点通过采集输出的脉冲信号给MCU的计数器来实现对用户所使用电能的计算。由MCU处理后的数据信息通过寄存器的控制后发送给无线收发单元，若节点具有数据转发功能，则无线收发单元接收来至其他智能电表的数据信息，然后再发送给本节点的MCU进行处理并存储。如果出现断电或负功率等严重异常情况，电表节点中的MCU会在100ms内将电表工作参数及网络路由消息存入外部存储单元内。
如图5所示，图5为依照本发明实施例提供的微处理器单元和射频收发模块的电路原理图。实施例中采用一颗***芯片解决方案，使用TI公司片上***CC2430。该芯片集成了一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。片内有一个DMA控制器；8KB静态RAM，其中的4K字节是超低功耗SRAM；128KB的片内Flash，可以编程10000次；集成了4个振荡器用于***时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHz RC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHz RC振荡器；集成一个AES协处理器，以支持IEEE802.15.4MAC安全所需的(128位关键字)AES的运行，以实现尽可能少的占用微控制器；片内包括四个定时器：一个16位MAC定时器，用以为IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定时以及为IEEE802.15.4的MAC层提供定时。一个一般的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和PWM功能；片内集成的其他外设有：实时时钟；上电复位；8通道，8-14位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。为了更好的处理网络和应用操作的带宽，同时片内集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE802.15.4MAC协议，以减轻微控制器的负担。例如：自动前导帧发生器等。
如图6所示，图6为依照本发明实施例提供的电量采集模块电路原理图。电量采集模块采用了广泛应用于电子电度表的电能计量芯片ATT7021。此芯片具有***电路简单、可靠性高、线性度与稳定性好等特点，适用于单相两线制电力用户的电能计量。在应用线路稍作改动后，也适用于单相三线制电力用户的电能计量；无论测量正向有功功率或反向有功功率都有很高的精度(远优于1％)，且在测量反向功率时Pin20有高电平输出，用于指示该时的功率为反方向；由于ATT7021与CC2430采用不同的电气***，所以CF的输出到CC2430中间加上了光电耦合器间，以达到隔离的目的。
如图7所示，图7为依照本发明实施例提供的继电器控制电路原理图。提供对用户用电控制功能的支持。当用户出现欠费情况时，电力管理部分可以实现远程对用户线路的切断。另外，当用户用电超过最大负载后，为保证用电的安全节点也可以自动切断用户线路，当恢复正常后自动闭合。
如图8所示，图8为依照本发明实施例提供的异常告警电路原理图。异常报警模块提供对关于节点状态指示的功能。可用于硬件开发、调试阶段，以及正常工作下的报警指示。实施例包括声报警和光报警。
如图9所示，图9为依照本发明实施例提供的电压管理模块电路原理图。由于采集节点各模块需要多种不同的电气***，所以电源模块的需要给各模块供给不同的电压、电流。220V的交流电通过变压器降压处理后再经过整流、滤波得到低压的数字电源，再经过LM217将电压稳定在3.3V，供单片机、射频模块和***电路使用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无线传感器网络的智能远传电表，其特征在于，该设备包含：专用射频单元，用于实现电表网络中各电表节点间的无线通信；微处理器模块，用于完成节点上的数据处理和逻辑运算，以及各单元的控制；电源供应模块，用于为节点各单元提供合适的电压、电流以及对突发掉电事件的检测与处理；电力信息采集单元，用于采集电表用户的用电信息；外部存储单元，用于掉电时存储电表工作参数及网络路由消息等；液晶显示单元，用于提供给电表使用者予电表工作状态和用电量、费用等信息；故障检测单元，用于检测电表硬件各单元故障。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能远传电表，其特征在于，所述***中，每个智能电表以ZigBee方式组网和通信，智能电表到采用优化的路由算法多跳至网关节点。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能远传电表，其特征在于，所述***中，在CC2430中嵌入ZIGBEE协议栈，可以支持与任何类型的ZIGBEE产品进行通信。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能远传电表，其特征在于，所述***中，智能电表支持集中抄表以及单一用户在线远程抄表等多种抄表模式。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能远传电表，其特征在于，所述***中，包含软件自动更新模块，实现智能电表的软件部分的网络升级和更新功能。
6.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能远传电表，其特征在于，所述***中，智能电表自主检测所在网络的信号强度，判断网内设备通信状态、供断电状态、智能仪表节点是否失效等信息，进行在线管理。
7.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能远传电表，其特征在于，所述***中，设置了支持交流供电和电池供电的电源管理模式，可以在断电的情况下，自动启用电池供电以保持网络节点功能和数据传输功能。
8.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能远传电表，其特征在于，所述***中，智能电表包含天线延长装置，可以通过外接天线，解决电表箱无线信号屏蔽的问题。
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