基于ZigBee技术的无线传感器网络在能源计量系统中的应用

王瑛辉 石理碧 孙 坚

(浙江杭州市质量技术监督检测院 ，杭州 310019)

0 引言

近年来，随着我国经济的高速增长，我国的能源消耗总量居世界第二，而我国人均能源资源占有量却只有世界平均水平的40%，因此提高能源利用率促进节能减排已成为我国重要任务之一，其中能源计量成为实现节能减排的关键。能源计量是指在能源流程中，对各环节的数量、 质量、性能参数及相关的特征参数等进行检测、度量和计算，以达到提高能源利用效率、节约能源的目的。

目前我国能源计量缺乏经济、适用和可靠性高的计量手段，不能做到及时采集数据，进行统计与分析，提供用能决策依据。如果采用传统的有线方式来进行能源计量，需要铺设大量的电缆、网线、光纤以构成传输网络，其设备建设和维护成本很高。因此我们可借助于通讯可靠、费用合理的无线传感器网络。

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络区域中感知对象的信息，并发送给观察者。ZigBee技术是采用IEEE802.15.4网络协议的新一代无线网络技术，具有数据传输能力强、可靠性高及成本低廉的特点。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是功耗与成本最低的技术，能更好地满足能源计量的要求。

1 能源计量系统方案设计

能源计量系统是一种基于WEB的现代化能源管理平台，可以对用能单位的能耗数据进行采集、存储、分析和统计查询，为用能单位的节能提供科学依据，并为能源计量审查提供科学数据参考。能源计量系统的结构如图1所示,能源计量器具通过RS485接口与ZigBee模块连接，各能源计量器具的数据经由ZigBee模块传输到ZigBee协调器，ZigBee协调器将采集到的数据进行处理，通过局域网传输到数据监控服务器。管理平台可以通过互联网来访问数据页面。

图1 能源计量系统结构图

2 ZigBee节点的硬件设计

由于ZigBee模块要与能源计量器具一起使用或独立使用，并要使用电池供电，要求ZigBee模块体积小、低功耗和高可靠性。因此，我们选用了Jennic公司生产的JN5139模块。JN5139完全兼容2.4GHz IEEE802.15.4收发器，采用2.2～3.6V电压供电，接收灵敏度高达-97dBm，发射功率为+3dBm，深度睡眠时仅消耗电流0.2μA，非常适用于无线传感器网络。

2.1 ZigBee节点的结构图

ZigBee节点的结构如图2所示，主要由JN5139模块、RS232和RS485通信端口、电源模块、I/O接口4部分组成。电源模块采用电池供电，RS232 接口用于程序的编写、调试,RS485 接口用于连接能源计量器具，采集计量器具的数据。扩展I/O口用于连接其他外部设备，增加节点的可扩展性。

图2 ZigBee节点结构图

2.2 JN5139模块

如图3所示的JN5139模块集成了32 位RISC处理器、48字节OTP eFuse、128 KB FLASH、192 KBROM、96 KB RAM、RF收发器，并提供了4路12位ADC、2路11位DAC，2个比较器、2个用户计时器、3个系统计时器，2个UART(其中一个用于系统调试)，1个带有5个片选线的SPI接口，1个2线串行接口,21个通用I/O口。

图3 JN5139模块结构图

2.3 RS485模块

如图4所示，RS485模块采用SP3485芯片与能源计量器具连接，能源计量器具的485信号通过SP3485芯片转换为TTL信号，再传输到JN5139的串口UART1，实现ZigBee模块与能源计量器具之间的通信。

图4 RS485模块结构图

2.4 RS232模块

如图5所示，RS232模块采用MAX3232芯片，将计算机TS232串口输出的信号转换为TTL信号，将通信程序烧写到JN5139芯片上，实现ZigBee节点间的通信。

图5 RS232模块结构图

3 ZigBee节点的软件设计

ZigBee协调器的主要功能是对ZigBee网络中的各个节点进行管理，允许节点的加入，并为各节点分配地址,然后和节点进行数据的传输，并将能源计量器具的数据传送到数据监控服务器。ZigBee协调器工作流程图如图6所示。

ZigBee节点是整个系统的数据采集的主要执行者，节点接收到协调器采集数据的命令后，自动进行数据采集，然后将数据发送到协调器，完成数据采集后进入休眠状态，等待下一次数据采集命令。ZigBee节点的工作流程如图7所示。

图6 ZigBee协调器工作流程图

图7 ZigBee节点工作流程图

4 实测试验

系统设计完成后，在我院能源计量中心对用电量进行了实验，把数据监控服务器接收到的数据与能源计量器具的测量数据进行比较，表1为本系统采集的数据与能源计量器具测量数据的比较，可以看出系统采集数据与能源计量器具测量数据完全一致。

表1 系统采集数据与能源计量器具的测量数据比较

5 结论

基于 ZigBee技术的能源计量系统发挥了无线传感器网络技术在能源计量中的重要作用，为能源计量管理提供了准确可靠的数据，为进一步制定节能减排方案提供依据，达到优化资源配置，可以带来很大的经济效益，具有非常广泛的应用前景。

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