一種基於無線傳感器網絡的智能遠傳電錶的製作方法

2023-06-13 05:26:31

專利名稱：一種基於無線傳感器網絡的智能遠傳電錶的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線傳感器網絡技術、遠程抄表與數據釆集領域，尤 其涉及一種基於無線傳感器網絡技術的智能化電力計量表設備。
背景技術：
無線傳感器網絡 (Wireless Sensor Network,簡稱WSN ) #皮 認為是21世紀最重要的技術之一，是眾多的傳感器通過無線通信的 方式，相互聯繫，處理、傳遞信息的網絡。該網絡綜合了傳感器技術、 嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，可以實時監測、 感知和採集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，並對這些 信息進行處理，傳送給所需用戶。無線傳感器網絡在軍事、工業、交 通、安全、醫療、探測以及家庭和辦公環境等很多方面都有著廣泛的 用途，其研究、開發和應用，關係到國家安全、經濟發展等各個重大 方面，近年來在國際上引起了廣泛的重視和投入。
無線傳感器網症各(Wireless Sensor Network, WSN )結構如圖1 所示。無線傳感器網絡通常由傳感器節點群、基站(sink節點)和 管理節點組成。傳感器節點分布於網絡的各個部分，用於收集數據， 並且將數據路由至基站。基站與管理節點通過廣域網絡(如Internet 網絡或者衛星網絡)進行通信，以便管理節點對收集到的數據進行處 理。
傳統的遠程電力抄表系統包括有線和無線兩種方式。中國專利 90223666.0, 92110485.5等公布了基於電力線載波的遠傳抄表系統和裝置。中國專利01107528. 7公布了一種基於乙太網電錶數據採集 器及通訊釆集控制方法。中國專利CN1 304030A, CN1414346A公開了 基於無線的遠程抄表的方法及遠程抄表系統。其中有線的抄表系統存 在系統安裝複雜，通信線路長期維護的費用高等特點；載波通信系統 的訊號和抗幹擾性受電力網影響很大，民用效果不理想；而現有的普 通無線抄表系統使用的電錶通常都需要租用公網，安裝、維護和運行 的費用較高；電錶智能化程度低，不支持雙向通信，無法升級；網絡 覆蓋率小。
為了滿足電力系統服務的實際需要，結合基於ZigBee的無線傳 感器網絡技術，設計實現新型智能遠傳電錶，將有十分重要的意義。

發明內容
本發明根據上述現有技術，針對目前智能化電錶設備的問題和不 足之處，提供一種基於無線傳感器網絡的智能遠傳電錶。以實現電力 計量數據的實時採集，電力參數的無線網絡遠程傳輸，智能電錶上的 數據融合和電力表網網絡數據的轉發；支持本地電錶的遠程控制；支 持電力電錶網絡的管理功能，包括本地電錶註冊、電錶狀態、路由 信息管理和本地故障診斷等。
為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的
一種基於無線傳感器網絡的智能電錶設備，該設備的硬體包括 專用射頻單元，用於實現電錶網絡中各電錶節點間的無線通信；微控 制器單元，用於完成節點上的數據處理和邏輯運算，以及各單元的控 制；電源管理單元，用於為節點各單元提供合適的電壓、電流以及對 突發掉電事件的檢測與處理；電力信息採集單元，用於採集電錶用戶的用電信息；外部存儲單元，用於掉電時存儲電錶工作參數及網絡路
由消息等；液晶顯示單元，用於提供給電錶使用者予電錶工作狀態和 用電量、費用等信息；故障檢測單元，用於檢測電錶硬體各單元故障。 實時時鐘單元，用於提供系統時間，並可在液晶單元上顯示實時時間。
優選地，智能電錶設備作為一個採集及監控的終端節點，由單片 SOC晶片CC2430構成專用射頻單元和微控制器單元。
優選地，在CC2430中嵌入ZigBee協議棧，利用IEEE 802. 15. 4 標準提供的2. 4G免費頻段與其他基於ZigBee產品無線數據通訊。
優選地，當智能電錶網結構形成之後，每個智能電錶節點處於電 能量採集狀態，採集電能量存放於內部存儲器RAM中；當發生斷電情 況時，電錶工作參數及網絡路由消息等及時存入外部存儲單元中，電 力管理部門可以通過定時採集主動或被動兩種方式對智能電錶節點 進行單用戶抄送或集抄準確數據。由於網絡拓樸結構已經形成，部分 智能電錶節點具有數據轉發功 能，能 夠接收其鄰居電能表節點數據， 並直接或間接發送給基站。液晶單元顯示各工作智能電錶節點的網絡 狀態，當某電錶節點長時間不在網內，電力管理部門通過有效的修復 機制保證用戶的正常用電。
智能電錶通過專用射頻單元與其它智能電錶或者基於ZigBee的 產品進行無線通信，形成一個自組織的智能電錶網絡。網絡中的每一 個智能電錶同時具有數據釆集、計算、轉發和路由功能。智能表網的 拓樸結構可以為星形和簇樹，無線通信的範圍將不受地理條件的制 約。
本電錶系統支持預付費工作模式，用戶網上繳納費用後由控制中心將費率、電能數發送到節點保存，然後節點本身通過設置的費率及 用電時間進行用電量的統計並存儲，當購買電能量餘額超過預設閥 值，電錶節點或控制中心對用戶進行繳費提示。當電能量消耗超過用 戶購買電能量並欠費到某一額度時，控制中心可以及時採取遠程斷電 措施。
如果當網絡出現故障時，電錶節點仍能單獨管理用戶的用電。當 網絡故障排除後又可以上傳用戶的信息。因表引起的無線通訊中斷不 影響單表數據採集和保存(僅影響本表數據的讀出)，也不影響其它
表數據的讀出，即使本次讀數時改表出現故障，只需重新發射數據， 仍可以繼續讀表，其安全性和穩定性比較可靠。
本發明的遠程抄表系統不再局限於集中遠程抄送模式，優選地， 它既可以對單 一用戶在線抄讀又可以對某樓宇或某住宅小區用戶的 電能信息集中讀取而不需人工幹預。每個電能表節點都有唯一的網絡
ID,控制中心向目標節點發送抄送命令，目標節點收到命令後，經 確認後發送應答幀，該幀包括電能表節點ID,時間域，所耗電能量 等有效信息。每個樓宇或住宅小區都設有基站，每個基站都存有該樓 宇或小區所有用戶的當前用電信息，控制中心施行遠程集抄時，向目 標基站發送集抄命令，基站收到命令後，在有效時間內更新相關節點 數據信息，並將最新信息通過網際網路發送給控制中心。
本發明中的智能更新可以使電錶在升級時通過網絡進行，只須控 制中心發布新的程序代碼，電錶節點可以實現下載然後本地更新。無 需回收電錶人工更新。節點上的MCU支持Boot Loader功能，該 功能提供了一個由MCU本身來下載程序代碼的並進行自編程的機制。這一機制可以使系統可以在MCU的控制下，通過運行駐留於程
序Flash的Boot Loader代碼，靈活地進行應用軟體升級。
優選地，本系統中的智能電錶能夠自主檢測其信號強度和網絡狀 態，系統通過實時在線監測，判斷設備通信狀態、供斷電狀態、智能 電能表節點是否失效等信息，從而進行在線管理。該系統使電能表真 正走向智能化、網絡化。
從上述技術方案可以看出，本發明提供的基於無線傳感器網絡技 術的智能電錶設備充分利用了 ZigBee技術的低成本，低能耗，自組 織網絡，覆蓋範圍廣等特點。相對於其它傳統電錶設備，本方案具有 以下優點
*高可靠性相對現有的無線抄表設備和技術，本方案具有更
高的冗餘度，數據可以通過多條路徑傳輸。 *低成本除了降低人力成本之外，還具有很低的維護成本和
使用成本。
*高安全性採用了世界先進的數據網絡通訊安全技術。
*高可擴展性系統的更新可以完全通過軟體遠程實現，而無 須更換電錶。
*有利於實現複雜的用電政策如階梯電價、峰谷電價等，從而 推動節能運動。
*提高用電業務管理水平智能電錶系統能夠讓供電企業更好 的掌握用戶用電情況，為防止竊電、人情電提供了系統和技 術基礎，可以收集更多的用電參數信息，如無功功率、有功功率、功率因數等，從而實現更高的業務管理功能。


圖1為典型的無線傳感器網絡體系結構示意圖； 圖2為本發明一是供的智能電錶硬體系統結構示意圖； 圖3為本發明提供的基於無線傳感器網絡技術的智能電錶網絡 拓樸結構示意圖4為本發明提供的電能採集處理系統結構示意圖5為本發明提供微處理器單元和射頻收發模塊的電路原理圓6為本發明提供電量釆集模塊電路原理圖7為本發明提供繼電器控制電路原理圖8為本發明提供異常告警電路原理圖9為本發明提供的電源管理模塊電路原理圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具 體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
如圖2所示，圖2為本發明提供的智能電錶硬體系統結構框圖， 該電錶設備至少包括電源/供給管理模塊，電量採集模塊，射頻收發 模塊，實時時鐘模塊，控制/處理模塊，液晶顯示模塊。
其中，電源供給/管理模塊用於向MCU及電量釆集模塊提供3. 0V 電壓，同時向射頻收發模塊提供1. 8V電壓，並且該模塊具有一個行 之有效的電壓檢測功能。電量採集模塊主要負責計量用戶所使用的電能。射頻收發模塊用於實現網絡中的無線通信。實時時鐘模塊主要提 供系統本地時間，利於電錶的多費率管理。控制/處理模塊用於完成 節點上的數據處理和邏輯運算，以及各單元的控制，同時提供掉電時 電錶工作參數及網絡路由消息等存儲功能；液晶顯示模塊，用於提供
給電錶使用者電錶工作狀態和用電量、費用等信息；異常告警模塊， 用於及時通知用戶或控制中心欠費、偷、漏電等異常情況。
基於圖2所示的智能電錶硬體系統結構圖，以下結合具體的實施例
對本發明進一步詳細說明。
實施例
本發明提供的智能電錶硬體系統結構圖參見圖2所示，智能電錶 通過電能釆集模塊將有功功率的信息以頻率的形式輸出，將脈沖信號 輸送到微控制器的計數器，經MCU處理後通過電錶節點本身的射頻 收發模塊將有效數據信息傳播至無線網內，然後經過電錶節點的路 由、轉發功能將數據發送給控制中心進行處理。
如圖3所示，圖3為依照本發明實施例提供的智能電錶網絡拓 樸結構示意圖，該網絡結構屬於星型網絡，是IEEE 802.15.4標準 支持的一種網絡拓樸結構。各樓宇中的所有智能電錶在本地完成電量 採集後通過無線射頻模塊將數據發送給基站，即圖中的網關節點，然 後基站通過GPRS/CDMA等通信方式將數據上傳給控制中心。
如圖4所示，圖4為依照本發明實施例提供的電能採集處理系 統示意圖，圖中提供的MCU和無線收發模塊集成在一個晶片上。負 載所耗電能通過靈活的模擬輸入電路，經電力釆集信息單元處理後以 頻率的形式輸出。節點通過採集輸出的脈沖信號給MCU的計數器來實現對用戶所使用電能的計算。由MCU處理後的數據信息通過寄存 器的控制後發送給無線收發單元，若節點具有數據轉發功能，則無線 收發單元接收來至其他智能電錶的數據信息，然後再發送給本節點的
MCU進行處理並存儲。如果出現斷電或負功率等嚴重異常情況，電 表節點中的MCU會在100ms內將電錶工作參數及網絡路由消息存 入外部存儲單元內。
如圖5所示，圖5為依照本發明實施例提供的微處理器單元和 射頻收發模塊的電路原理圖。實施例中釆用 一顆系統晶片解決方案， 使用TI公司片上系統CC2430。該晶片集成了一個高性能 2.4GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心和一顆工業級小巧 高效的8051控制器。片內有一個DMA控制器；8KB靜態RAM, 其中的4K字節是超低功耗SRAM; 128KB的片內Flash,可以編 程10000次；集成了 4個振蕩器用於系統時鐘和定時操作 一個 32MHz晶體振蕩器， 一個16MHz RC-振蕩器， 一個可選的 32.768kHz晶體振蕩器和一個可選的32.768kHz RC振蕩器；集 成一個AES協處理器，以支持IEEE802.15.4 MAC安全所需的 (128位關鍵字)AES的運行，以實現儘可能少的佔用微控制器； 片內包括四個定時器 一 個16位MAC定時器，用以為 IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定時以及為IEEE802.15.4 的MAC層提供定時。 一個一般的16位和兩個8位定時器，支持典 型的定時/計數功能，例如，輸入捕捉、比較輸出和PWM功能；片 內集成的其他外設有實時時鐘；上電復位；8通道，8- 14位ADC; 可編程看門狗；兩個可編程USART,用於主/從SPI或UART操作。為了更好的處理網絡和應用操作的帶寬，同時片內集成了大多數對定
時要求嚴格的一系列IEEE802.15.4 MAC協議，以減輕微控制器的 負擔。例如自動前導幀發生器等。
如圖6所示，圖6為依照本發明實施例提供的電量採集模塊電 路原理圖。電量採集模塊採用了廣泛應用於電子電度表的電能計量芯 片ATT7021。此晶片具有外圍電路簡單、可靠性高、線性度與穩定 性好等特點，適用於單相兩線制電力用戶的電能計量。在應用線路稍 作改動後，也適用於單相三線制電力用戶的電能計量；無論測量正向 有功功率或反向有功功率都有很高的精度(遠優於1 % ),且在測 量反向功率時Pin20有高電平輸出，用於指示該時的功率為反方向； 由於ATT7021與CC2430釆用不同的電氣系統，所以CF的輸出 到CC2430中間加上了光電耦合器間，以達到隔離的目的。
如圖7所示，圖7為依照本發明實施例提供的繼電器控制電路 原理圖。提供對用戶用電控制功能的支持。當用戶出現欠費情況時， 電力管理部分可以實現遠程對用戶線路的切斷。另外，當用戶用電超 過最大負載後，為保證用電的安全節點也可以自動切斷用戶線路，當 恢復正常後自動閉合。
如圖8所示，圖8為依照本發明實施例提供的異常告警電路原 理圖。異常報警模塊提供對關於節點狀態指示的功能。可用於硬體開 發、調試階段，以及正常工作下的報警指示。實施例包括聲報警和光 報警。
如圖9所示，圖9為依照本發明實施例提供的電壓管理模塊電 路原理圖。由於採集節點各模塊需要多種不同的電氣系統，所以電源模塊的需要給各模塊供給不同的電壓、電流。220V的交流電通過變 壓器降壓處理後再經過整流、濾波得到低壓的數字電源，再經過
LM217將電壓穩定在3.3V,供單片機、射頻模塊和外圍電路使用。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果 進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述為本發明的具體實 施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則內，所做 的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1. 一種基於無線傳感器網絡的智能遠傳電錶，其特徵在於，該設備包含專用射頻單元，用於實現電錶網絡中各電錶節點間的無線通信；微處理器模塊，用於完成節點上的數據處理和邏輯運算，以及各單元的控制；電源供應模塊，用於為節點各單元提供合適的電壓、電流以及對突發掉電事件的檢測與處理；電力信息採集單元，用於採集電錶用戶的用電信息；外部存儲單元，用於掉電時存儲電錶工作參數及網絡路由消息等；液晶顯示單元，用於提供給電錶使用者予電錶工作狀態和用電量、費用等信息；故障檢測單元，用於檢測電錶硬體各單元故障。
2. 根據權利要求1所述的一種基於無線傳感器網絡的智能遠傳電 表，其特徵在於，所述系統中，每個智能電錶以ZigBee方式組網 和通信，智能電錶到採用優化的路由算法多跳至網關節點。
3. 根據權利要求1所述的一種基於無線傳感器網絡的智能遠傳電 表，其特徵在於，所述系統中，在CC2430中嵌入ZIGBEE協議 棧，可以支持與任何類型的ZIGBEE產品進行通信。
4. 根據權利要求1所述的一種基於無線傳感器網絡的智能遠傳電 表，其特徵在於，所述系統中，智能電錶支持集中抄表以及單一 用戶在線遠程抄表等多種抄表模式。
5. 根據權利要求1所述的一種基於無線傳感器網絡的智能遠傳電 表，其特徵在於，所述系統中，包含軟體自動更新模塊，實現智 能電錶的軟體部分的網絡升級和更新功能。
6. 根據權利要求1所述的一種基於無線傳感器網絡的智能遠傳電 表，其特徵在於，所述系統中，智能電錶自主檢測所在網絡的信號強度，判斷網內設備通信狀態、供斷電狀態、智能儀表節點是 否失效等信息，進行在線管理。
7. 根據權利要求1所述的一種基於無線傳感器網絡的智能遠傳電 表，其特徵在於，所述系統中，設置了支持交流供電和電池供電 的電源管理模式，可以在斷電的情況下，自動啟用電池供電以保 持網絡節點功能和數據傳輸功能。
8. 根據權利要求1所述的一種基於無線傳感器網絡的智能遠傳電 表，其特徵在於，所述系統中，智能電錶包含天線延長裝置，可 以通過外接天線，解決電錶箱無線信號屏蔽的問題。
全文摘要
本發明公開了一種基於無線傳感器網絡的智能遠傳電錶。智能電錶設備的硬體包括專用射頻單元、微控制器單元、電源管理單元、電力信息採集單元、外部存儲單元、液晶顯示單元和故障檢測單元。所述智能電錶具有信息採集、計算、轉發和路由等多種功能。智能電錶通過射頻單元，自動與其他智能電錶形成電錶網絡，通過網關與供電企業的計算機系統相連。本發明在應用時可以與其它基於ZigBee技術的無線公用事業產品相連，作為其它表網的基站。利用本發明，實現了遠程供電企業與電力用戶基於無線網絡的可靠連接，實現了數據的雙向傳輸，滿足了電力企業的對居民用電管理的需求。
文檔編號G08C17/02GK101425219SQ200710056240
公開日2009年5月6日 申請日期2007年10月29日 優先權日2007年10月29日
發明者超 李, 鬥 牛, 蘇梅英 申請人:吉林市曼博科技有限公司