基于ZigBee的智慧用电监控系统_吴蓬勃.pdf

42|电子制作 2023 年 2 月智能应用0 引言近年来，气候变化导致极端天气频发，能源危机，电力紧张，多个国家遭遇电荒。因此，降低碳排放逐渐成为各国共识1。针对这些问题，我国早在 2020 年的联合国大会上，就提出了双碳目标：力争在 2030 年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和2。为实现“双碳”目标，如何实现降低电能消耗，成为其中关键一环3。本文基于 ZigBee 无线传感器网络、智能空开和多种传感器，设计了一套校园智慧用电监控系统，实现了校园用电能耗监控。1 系统总体设计系统架构图如图 1 所示，整个系统包括：ZigBee 智慧用电节点、ZigBee 网关、无线路由器和云端。其中，Zig-Bee 智慧用电节点分布在校园教室、实验室、宿舍等场景中，进行电量实时采集、电源开关远程控制以及环境监测；ZigBee 网关负责汇聚数据，并通过串口转 WiFi 模块与云端管理平台通信。下面重点对智慧用电节点进行介绍。云服务器无线路由器Zigbee网关 智慧用电01 智慧用电02 智慧用电n图 1 系统架构图2 智慧用电节点硬件设计 2.1 智慧用电节点组成智慧用电节点主要包括三部分：用电监控和环境监测和电源管理。其中，用电监控部分主要由智能空开实现电量采集和电源开关控制；环境监测部分主要由火焰传感器和温湿度传感器组成，实现火灾、浸水等实时告警。电源管理部分，实现智慧用电节点的不间断供电。RS485智能空开LED灯火焰传感器温湿度传感器用电监控环境监测电源管理 图 2 智慧用电节点组成 2.2 智能空开与 RS485 通信智能空开选用了曼顿科技的智慧物联网空开，与传统的空开相比，智能空开可以有效预防电气安全事故发生，可以采集电压、电流、模块温度等数据，并可以进行实时告警4。考虑到在校园的不同场景中，智能空开的数量各不相同，本系统选择了带有 RS485 接口的智能空开，从而实现多个智能空开的组网。系统采用 SP3485 芯片实现 CC2530与智能空开的 RS485 通信。SP3485 是一款半双工通信高速收发器，内部包含一个驱动器和一个接收器，可实现高达10Mbps 的无差错数据传输。RS485 通信模块电路图，如图 3 所示。SP3485 的 1 脚RO 为接收器输出，连接 CC2530 串口接收引脚 RX；2 脚基于 ZigBee 的智慧用电监控系统吴蓬勃1，张金燕2，王拓1，张冰玉1，张静1，解增林3（1.石家庄邮电职业技术学院，河北石家庄，050021；2.河北工程技术学院，河北石家庄，050091；3.河北宏达矿山工程有限公司，河北石家庄，050023）基金项目：石家庄邮电职业技术学院教改项目（HHK202017）。摘要：为实现校园用电数据实时采集与智能管控，有效促进节约用电，本文基于ZigBee无线传感器网络、智能空开和多种传感器，设计了一套智慧用电监控系统，实现了校园用电监控、环境监测。为云端大数据分析与电能管理提供支撑，助力“双碳”目标达成。关键词：ZigBee；智慧；用电监控；智能空开DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.03.022wwwele169com|43智能应用RE为接收器输出使能，低电平有效；3脚为驱动器输出使能，高电平有效；4 脚 DI 为驱动器输出。由于 SP3485 为半双工收发器，在发送数据时，需要 RE=1，DE=1；接收数据时，需要 RE=0，DE=0。为实现数据的自动收发，避免频繁设置 RE 和 DE 引脚电平导致的程序复杂度增加，在图 3 中，将 RE 和 DE 引脚短接，连接到三极管 Q1 的集电极，通过 CC2530 串口发送引脚控制三极管 Q1 的开关。在串口发送数据时，若 ZB_TX=0，则 Q1 截止，DE 引脚被拉高，SP3485 进入发送模式，由于驱动器输出引脚 DI接地，所以右侧的 AB 脚会发送数据 0。若 ZB_TX=1，则Q1 导通，RE 脚接低电平，SP3485 进入接收模式，右侧的AB 脚会进入高阻态，电阻 R9 把 A 拉高，R10 把 B 拉低，所以 AB 会传送数据 1，从而完成了数据的正常发送。串口不发送数据时，ZB_TX 为高电平，Q1 导通，SP3485 的RE=0，芯片进入接收模式，可通过 RO 正常接收串口数据。从而实现了 RS485 数据的自动收发。图 3 RS485 自动收发电路 2.3 电源管理模块为确保在市电断电情况下，智慧用电节点仍然可以正常工作，实时进行环境监测，本系统引入了电源管理模块，电路图如图 4 所示。本模块采用充放电管理芯片 SM5401 实现锂电池的充放电管理。SM5401 具备 0.8A 线性充电模式，具备涓流、恒流和恒压三种充电模式，内置防倒充电路。图 4中的 D2 和 D3 为充放电指示灯，SM5401 的 3 脚连接充电电池正极；通过5脚连接的UPS接口，可实现电池充电和放电。图 4 电源管理模块电路图3 软件设计 3.1 ZigBee 无线通信设计 智慧用电节点和 ZigBee 无线网关之间采用 ZigBee 无线网络进行通信，两个模块对应的程序流程图如图 5 和图 6所示。在图 5 中，智慧用电节点首先进行硬件初始化和 Zig-Bee 无线参数配置；然后开机自检，判断智能空开状态，获取智能空开的电压和电流；进入正常运行状态后，开始接收ZigBee 无线指令、解析指令，并将指令通过 RS485 发送到智能空开；获取的智能空开状态数据会通过 ZigBee 网络上传到 ZigBee 网关。开始硬件初始化配置无线参数开机自检读取空开状态空开断开？485发送空开闭合指令Y读取空开电压N读取空开电流正常运行接收到无线指令？485发送空开指令YN空开数据无线发送返回图 5 智慧用电节点程序流程图在图 6 中，ZigBee 无线网关通过串口转 WiFi 模块接收云端上位机数据，同时，将智慧用电节点上传的数据，转发到云端。3.2 智能空开 Modbus 通信智能空开采用了国际标准的 Modbus 通讯协议，支持RTU 和 ASCII 模式。本系统采用了 RTU 模式，数据帧格式如图 7 所示。每个 Modbus 报文包括：从机地址、功能码、数据和 CRC 校验；功能码主要包括：读取开关合闸/分闸44|电子制作 2023 年 2 月智能应用状态指令、远程开关控制指令以及读取电压、电流等数据的指令。为保证 Modbus 报文正常传输，每个报文需间隔最小 3.5 个字符的空闲时间。开始硬件初始化配置无线参数接收上位机串口数据读取串口缓冲区数据有数据？NLED状态反转Y无线发送数据接收无线数据接收到无线数据？数据通过串口发送到上位机YN返回返回 图 6 ZigBee 网关程序流程图起始最少3.5个字符的空闲从机地址功能码数据校验结束最少3.5个字符的空闲图 7 Modbus RTU 数据格式 3.3 环境感知为确保智慧用电节点正常工作，对火灾和浸水等情况进行实时报警，本系统增加了环境监测部分，主要包括：火焰传感器和温湿度传感器。本部分重点介绍数字温湿度传感器DHT11 与 CC2530 的通讯流程。DHT11 数字温湿度传感器内部主要包括：电阻式湿度感知元件、NTC 测温元件和高性能 8 位单片机。DHT11 采用单总线进行数据通讯，信号传输距离可达 20m 以上。DHT11 一次通讯时间在 4ms 左右，一次完整的数据传输为 40bit，采用高位在前低位在后方式。40bit 数据分别包括：8bit 湿度整数数据、8bit 湿度小数数据、8bit 温度整数数据、8bit 温度小数数据和 8bit 校验和。DHT11 对数据信号高低电平的时长有着严格的要求，数据通讯建立的流程，如图 8 所示。DHT11 数据总线 DATA空闲状态为高电平。CC2530 作为主机，将 DATA 拉低时长需要大于 18ms，再将电平拉高，时长控制在 2040s 之间；此时，DHT11 会发送响应信号，发送 80s 的低电平和 80s 的高电平。CC2530 收到 DHT11 的响应后，开始进入数据传送状态。DHT11 发送数据 0 和 1 的时序图，如图 9 所示。发送50s 低电平，2628s 之间的高电平，代表数字 0；发送50s 低电平，70s 的高电平，代表数字 0。主机T18ms主机T:2040usDHT响应低电平t=80usDHT响应高电平t=80us开始数据传送图 8 CC2530 与 DHT11 数据通讯建立流程50us2628us50us70us （a）数字 0 （b）数字 1图 9 DHT11 发送数字 0 和 1 时序图 4 测试为测试系统运行效果，搭建了测试环境，如图 10 所示。上位机软件可通过 ZigBee 网关实时采集智慧用电节点的电压、电流数据，同时，可以远程控制电源的开关，实现了校园用电的智能监控。图 10 系统测试 5 总结为实现校园用电数据实时采集与智能管控，有效促进节约用电，本文基于 ZigBee 无线传感器网络、智能空开和多（下转第 22 页）22|电子制作 2023 年 2 月电子电路设计与方案对当前人脸进行采样分析编码树莓派摄像头采集画面与数据库中的模型进行对比输出结果至显示屏显示对当前人员进行红外测温语音播报模块播报结果 图 5 系统实验流程图 4.2 红外测温结果将 MLX90614 与树莓派的 I2C 接口进行连接通信，通过不断改变传感器与人的额头的距离，对人的额温进行测量，并采用一种通过最小二乘法进行多项式拟合进行温度补偿67，减小误差。补偿前后的温度曲线，如图 6 所示。图 6 补偿前后的温度曲线实验证明，通过温度补偿后，平均误差 0.027，相对误差为 0.98%符合实验预期，满足人体测温精度需求。5 结语本文研究并设计了一种基于人脸识别和红外测温的健康码闸机系统，详细介绍了该系统的软硬件设计，并对闸机系统进行了进一步的运行测试。根据实验数据结果来看，基于 LBPH 人脸识别算法的识别准确率较高，通过温度补偿后的 MLX90614 红外测温传感器的测温精度也得到了较大提升，验证了系统的正确性和完整性。相比目前的人工核验方式更加智能化，高效化，符合产业需求，具有现实意义。但作为测试样机，还存在一些不足的地方，目前系统需要预先录入人脸和健康码信息，工程量较大，只能服务于小区域内人群，例如公司、小区等地。未来可接入国家卫生部门管理的健康码信息数据库，实现全国覆盖。参考文献 1 钟君,蔡黎明,于涌.基于 MLX90614 的无线温度采集系统设计 J.传感器与微系统,2015,34(03):87-89+93.2 宋俊芳,马浩轩,赵海莉,张李帅.基于 Haar 级联分类器和LBPH 算法的人脸识别 J.软件,2021,42(04):45-47.3 马剑南.基于 Atmega128 单片机的智能停车场管理系统 J.价值工程,2012,31(21):213-214.4 张一夫,陈天飞,张建松.基于树莓派的在线人脸识别考勤系统 J.电子设计工程,2019,27(22):152-156.5Li Wang,Ali Akbar Siddique.Facial recognition system using LBPH face recognizer for anti-theft and surveillance application based on drone technologyJ.Measurement and Control,2020,53(7-8).6杨高祥,田军委,高青,王沁.人体红外测温的精度补偿方法J.电子技术,2021,50(12):7-9.7Zhu Zimin,Huang Yuehong,Chen Zhichao,Huang Hui.Non-contact infrared temperature detection and RFID technology access control designJ.Journal of Physics:Conference Se