一种电能测量、控制和保护系统

1.一种电能测量、控制和保护系统，包括上位机控制模块(1)、IPv6-ZigBee路由器(2)和无线传感器节点(3)，其特征在于，上位机控制模块(1)布置在PC机上，在建筑中的每个待测设备的接线装置中布置有一个无线传感器节点(3)，每个无线传感器节点(3)具有独立的IPv6地址，同时支持对等网络层协议，上位机控制模块(1)与无线传感器节点(3)之间通过IPv6-ZigBee路由器(2)进行无线网络通信；
所述的上位机控制模块(1)在运行初期根据用户设置对整个建筑中的无线传感器节点(3)建立树状逻辑结构，并为每个无线传感器节点(3)分配一个独立的IPv6地址，用户对每个无线传感器节点(3)进行配置信息的设置，在运行过程中上位机控制模块(1)接收无线传感器节点(3)采集的电能信息数据，对电能信息数据进行分析，并进行电能控制；上位机控制模块(1)给无线传感器节点(3)发送的数据包括配置信息和控制命令；无线传感器节点(3)给上位机控制模块(1)发送的数据包括电能信息数据和报警信息；
所述的IPv6-ZigBee路由器(2)实现不同协议数据的转换，与上位机控制模块(1)之间采用IPv6协议进行通信，与无线传感器节点(3)之间采用ZigBee无线协议，接收并解析上位机控制模块(1)发送的数据，并把数据以ZigBee无线协议格式重新组织发送给无线传感器节点(3)，接收并解析无线传感器节点(3)发送的数据，并把数据以IPv6协议格式重新组织发送给上位机控制模块(1)；对重新组织的数据通过将各个数据包按照顺序编号和在数据的最后一帧添加累加和校验，以保证数据传输的可靠性；
所述的无线传感器节点(3)根据上位机控制模块(1)发送的配置信息实时采集电能信息数据，并通过跳传的方法以ZigBee无线协议传送给IPv6-ZigBee路由器(2)，并上传给上位机控制模块(1)，接收上位机控制模块(1)下发的控制命令对无线传感器节点(3)所检测的设备的电能进行控制和保护；具体每个无线传感器节点(3)包括：电压电流测量模块(31)、Zigbee通信模块(32)、电源转换模块(33)、继电器控制模块(34)和微处理器模块(35)；
所述的电压电流测量模块(31)采用型号为ADE7753的差分测量芯片测量差分的电压和电流信号，电压信号的采集采用1M欧姆电阻Z1和1.2K欧姆电阻Z2串联分压的方法获得交流电压的差分信号，电流采样采用差分电阻的方法，在火线中串联一个毫欧姆级的电阻Z3，采样的电压信号与电流信号先经过滤波器进行滤波后输入差分测量芯片，由差分测量芯片测量得到当前时刻的电能信息数据，包括：电压、电流的有效值，电压、电流的瞬时值，有功功率，无功功率和视在功率；
所述的Zigbee通信模块(32)包括三部分：一个外置的50/100阻抗匹配变压器，用于提供不平衡50欧姆到平衡100欧姆的阻抗变换；一个由电感和电容组成的匹配网络，用于优化射频信号的性能；一个带通滤波器，用于处理传导谐波；
所述的电源转换模块(33)采用220V的线性电源供电，并使用π滤波器对直流电源滤波，为无线传感器节点(3)中各模块提供电源，其中，将电源220V的线性电源进行转换，对电压电流测量模块(31)和微处理器模块(35)分别提供直流5V和3.3V的电源；
所述的继电器控制模块(34)接收微处理器模块(35)的控制命令，控制继电器的开关；
所述的微处理器模块(35)采用型号为STM32W的芯片实现，芯片的双向射频端口是共享差分接口，内部连接至低噪声放大器和功率放大器，微处理器模块(35)通过Zigbee通信模块(32)接收上位机控制模块(1)传送来的配置信息和控制命令，控制电压电流测量模块(31)采集电能信息数据，并将电能信息数据通过Zigbee通信模块(32)发送给上位机控制模块(1)；微处理器模块(35)还对采集的电能信息数据根据报警阈值判断是否需要报警，当有功功率超过报警阈值一定时间时，或者根据所测量的电流有效值发现用电错误造成短路时，发出报警信息，通过Zigbee通信模块(32)发送给上位机控制模块(1)，同时主动切断电源或者等待上位机控制模块(1)发送的关闭电源的控制命令后切断电源。
2.根据权利要求1所述的一种电能测量、控制和保护系统，其特征在于，所述的电压电流测量模块(31)中的1M欧姆电阻Z1用100K欧姆电阻串联实现。
3.根据权利要求1所述的一种电能测量、控制和保护系统，其特征在于，所述的电源转换模块(33)中还设计有超级电容，容量为1F，使无线传感器节点(3)具有掉电监测的功能，当交流220V断电后，电源转换模块(33)仍旧能够维持电源输出一段时间，在该时间段内，微处理器模块(35)判断采集的电压有效值数据，当采集的电压有效值数据保持为0的时间超过10分钟时，上传交流220V断电的信息给上位机控制模块(1)。
4.根据权利要求1所述的一种电能测量、控制和保护系统，其特征在于，所述的微处理器模块(35)采用分组去极值的变时长滤波方法为上位机控制模块(1)输出采集的电能信息数据，具体是：针对每个电能信息数据，微处理器模块(35)控制电压电流测量模块(31)以固定采样时间t对该电能信息数据进行采集，则在上位机控制模块(1)对无线传感器节点(3)设置的采样时间T内，采集到n＝T/t个数据，按照采样的先后顺序排列，将每5个连续的电能信息数据分为一组，共分为n/5组，将每一组电能信息数据中的2个最大值和2个最小值去掉，保留中间值，共得到n/5个保留值，将n/5个保留值取平均值发送给上位机控制模块(1)。
5.根据权利要求1所述的一种电能测量、控制和保护系统，其特征在于，所述的微处理器模块(35)实现如下功能：
（a）打开微处理模块(35)的数据库，读取数据库中的配置信息，根据该配置信息对无线传感器节点(3)配置，然后进入数据采集和存储状态，实时存储采集的电能信息数据并发送给Zigbee通信模块(32)；
（b）对无线传感器节点(3)进行初始化操作，包括：分配无线传感器节点的绝对地址、设定采样周期和报警阈值，初始化操作中还包括对电压电流测量模块(31)的初始化操作：
设定电压电流测量模块(31)为双通道的工作模式，并设定为电压、电流的有效值、瞬时值，有功功率、无功功率和视在功率的多数据采集模式；在无线传感器节点(3)初始化完成后，执行网络的初始化函数embNetworkInit()，组建测试网络；
（c）建立用户数据传输协议，在组网后，根据网络状态函数embNetworkState()的反馈，执行数据传输函数embSendData()和数据解析函数embReadData()，对采集的电能信息数据、控制命令和报警信息进行接收、发送和协议解析；
（d）控制无线传感器节点(3)执行工作，执行应用函数applicationTick()，实现无线传感器节点(3)的应用功能，主要包括：控制电压电流测量模块(31)采集电能信息数据，控制继电器控制模块(34)的电源开关，接收上位机控制模块(1)的控制命令以及上传电能信息数据。
6.根据权利要求1所述的一种电能测量、控制和保护系统，其特征在于，所述的IPv6-ZigBee路由器(2)中的微处理器采用型号为S3C2410的芯片，射频芯片采用型号为CC2420的芯片，支持IEEE802.15.4标准，工作频带范围为2.4GHz～2.4835GHz，传输速率达250Kb/s。
7.根据权利要求1所述的一种电能测量、控制和保护系统，其特征在于，所述的上位机控制模块(1)包括三个功能模块：网络通讯模块(11)、数据库通讯模块(12)和用户UI模块(13)；
网络通讯模块(11)用于与IPv6-ZigBee路由器(2)建立IPv6网络通信，根据通信协议对数据进行封包和拆包的工作；
数据库通讯模块(12)用于存储从网络通讯模块(11)传送来的无线传感器节点(3)采集的电能信息数据，在数据库通讯模块(12)中对每个无线传感器节点(3)，根据该节点的IP地址和采集时间二维信息作为索引存储对应的电能信息数据，并根据用户设置的树状逻辑结构依次建立每一级索引；
用户UI模块(13)主要用于：（一）根据用户设置对整个建筑中的无线传感器节点(3)建立树状逻辑结构，并为每个无线传感器节点(3)分配一个独立的IPv6地址，接收用户输入的配置信息，并将配置信息通过网络通讯模块(11)传送给相应的无线传感器节点(3)，根据用户的设置，向无线传感器节点(3)发送数据采集控制命令；（二）向无线传感器节点(3)发送相应的控制命令以控制无线传感器节点(3)工作：控制无线传感器节点(3)所检测设备的电源的开关；查询无线传感器节点(3)的工作状态；设置无线传感器节点(3)的工作模式，工作模式分为自动采样和手动采样；设置无线传感器节点(3)的采样周期；设置无线传感器节点(3)的报警阈值和报警模式；（三）从数据库通讯模块(12)中读取无线传感器节点(3)的电能信息数据，统计被测设备的电能总消耗量，统计整个房间或整栋建筑的电能总消耗量，以及各被测设备或各房间的电能使用比例，显示给用户查看；（四）根据用户的设置，对被测设备或房间或建筑的电能使用量进行控制；（五）根据用户对接收到的报警信息的处理，下发控制无线传感器节点(3)所测设备的电源开关的控制命令。
8.根据权利要求1所述的一种电能测量、控制和保护系统，其特征在于，所述的IPv6-ZigBee路由器(2)与上位机控制模块(1)之间，与无线传感器节点(3)之间采用的通信协议的通信数据格式分为三种：命令帧、数据帧和状态帧；
所述的命令帧的格式包括三部分：第一部分是帧标志，用来表示标识字，格式为无符号整型，默认为5214H；第二部分是命令类型，用来表示命令，内容是通讯过程中需要的各种确认状态，格式为字节型；第三部分是命令数据，用来表示具体命令的数据，为无符号整型；
所述的数据帧的格式包括五部分：第一部分是帧标志，用来表示标识字，格式为无符号整型，默认为6215H；第二部分是报警信息，用来表示数据类型，0表示正常数据，1表示报警信息，格式为字节型；第三部分是数据类型，用来表示有效数据的类型，格式为字节型；第四部分是电能信息数据，格式为无符号整型；第五部分是校验和，是添加的累加和校验，用来保证数据传输的可靠性，格式为无符号整型；
所述的状态帧的格式包括两部分：第一部分是帧标志，用来表示标识字，格式为无符号整型，默认为7216H；第二部分是通讯状态标识，用来表示通讯过程中需要的各种确认状态，格式为字节型。
9.根据权利要求1所述的一种电能测量、控制和保护系统，其特征在于，所述的无线传感器节点(3)和IPv6-ZigBee路由器(2)的传输距离，在安装了天线且没有障碍物时，传输距离不超过70米，在安装了天线且有障碍物存在时，传输距离不超过20米，在不使用天线时，传输距离不超过10米。

一种电能测量、控制和保护系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及电能控制以及电通信领域，具体地说，是指一种对电能进行测量、控制和保护的系统。\n背景技术\n[0002] 目前的环境问题是全人类面临的挑战，通过节能减少对环境的破坏是一条有效的解决途径。在电能的消耗中，居民、办公等场合用电占有很大比例，针对这些应用场合设计一种可以检测、控制用电量的系统对于节省能耗有重要的现实意义。建筑物中的配电线路的终端大多都是接线盒的形式，现有技术中就利用这样的安装环境，在接线盒中安装测量节点，通过无线通信的协议，传输测量数据和控制信息给监控中心，通过操作台式机上安装的监控中心软件实现对整栋建筑物的电能的测量、控制和保护。这样的电能测量、控制和保护系统的实现涉及无线通信技术、网络协议、微电子技术、监测控制等多项内容。\n[0003] 微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System，简称MEMS)、片上系统(System on Chip，简称SoC)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出了无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSN)。无线传感器网络以其低功耗、低成本、分布式和自组织的优点带来了信息感知领域的一场变革，被认为是将对21世纪产生巨大影响的高新技术之一。\n[0004] 在无线测量领域，WiFi、蓝牙和ZigBee是目前3种常见的短距离无线通信技术。\n无线传感网络应用的目标是低数据速率的检测控制系统，这类应用对实时性要求不高，数据传输量较小，不需要高的带宽，往往要求设备有很低的功耗。另外，这些应用网络节点数较多、形态多变，要求节点能无需配置，自动组网。综合上述要求，ZigBee是一种具有很高认知度的无线传感网络实现技术。\n[0005] 第六代网络协议(Internet Protocol Version 6，IPv6)是互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force，IETF)设计的用于替代现行版本IP协议(IPv4)的下一代IP协议。IPV6具有地址长度为128比特，地址空间增大了2的96次方倍；简化了报文头部格式，字段只有8个，加快报文转发，提高了吞吐量；支持更多的服务类型；允许协议继续演变，增加新的功能等诸多特点，适合具有多地址的网络环境。\n[0006] 参考文件1为公开号为1658248的中国专利《无线测量装置》，该文件在2005年\n8月24日公开了一种用于远程观测的无线测量装置，该装置包括无线通讯装置、第一处理器、第二处理器和传感器，对第二处理器编程，实现第二处理器和第一处理器的无线通讯，接收传感器的信息。该参考文件1公开的无线测量装置可以应用于移动等需要无线测量的领域，但是应用于上面所述的用电量比较大的居民、办公等场合的固定建筑物中并不合适。\n发明内容\n[0007] 本发明针对用电量比较大的居民、办公等场合，对电量进行测量、控制和保护，提出一种电能测量、控制和保护系统。\n[0008] 本发明提出一种电能测量、控制和保护系统，包括上位机控制模块、IPv6-ZigBee路由器和无线传感器节点。上位机控制模块布置在PC机上，在建筑中的每个待测设备的接线装置中布置有一个无线传感器节点，每个无线传感器节点具有独立的IPv6地址，同时支持对等网络层协议，上位机控制模块与无线传感器节点之间通过IPv6-ZigBee路由器进行无线网络通信。\n[0009] 上位机控制模块在运行初期根据用户设置对整个建筑中的无线传感器节点建立树状逻辑结构，并为每个无线传感器节点分配一个独立的IPv6地址，用户对每个无线传感器节点进行配置信息的设置，在运行过程中上位机控制模块接收无线传感器节点采集的电能信息数据，对电能信息数据进行分析，并进行电能控制；上位机控制模块给无线传感器节点发送的数据包括配置信息和控制命令；无线传感器节点给上位机控制模块发送的数据包括电能信息数据和报警信息。上位机控制模块包括三个功能模块：网络通讯模块、数据库通讯模块和用户UI模块。所述的IPv6-ZigBee路由器实现不同协议数据的转换，与上位机控制模块之间采用IPv6协议进行通信，与无线传感器节点之间采用ZigBee无线协议，接收并解析上位机控制模块发送的数据，并把数据以ZigBee无线协议格式重新组织发送给无线传感器节点，接收并解析无线传感器节点发送的数据，并把数据以IPv6协议格式重新组织发送给上位机控制模块；对重新组织的数据通过将各个数据包按照顺序编号和在数据的最后一帧添加累加和校验，以保证数据传输的可靠性。所述的无线传感器节点根据上位机控制模块中的配置信息实时采集电能信息数据，并通过跳传的方法以ZigBee无线通信协议传送给IPv6-ZigBee路由器，并上传给上位机控制模块，接收上位机控制模块下发的命令对无线传感器节点所检测的设备的电能进行控制和保护。具体每个无线传感器节点包括：\n电压电流测量模块、Zigbee通信模块、电源转换模块、继电器控制模块和微处理器模块。\n[0010] 本发明的优点与积极效果在于：(1)本发明系统中的无线传感器节点在采集被测设备的电能信息时，具有足够的采集精度；(2)本发明系统实现了对固定建筑中电能地测量、控制和保护，为进一步提出优化电能使用方案提供了依据；(3)在通信中采用全局IP地址方式和对等网络方式相结合，使得每个无线传感器节点具有一个IP地址，通过IPv6-ZigBee路由器实现无线传感器节点和上位机控制模块的及时通信，并制定了通信协议，保证数据传输的快速和稳定性。\n附图说明\n[0011] 图1是本发明整体电能测量、控制和保护系统的示意图；\n[0012] 图2是本发明的无线传感器节点的模块示意图；\n[0013] 图3是本发明的电压电流测量模块的结构示意图；\n[0014] 图4是本发明的无线传感器节点上的嵌入式软件的工作流程图；\n[0015] 图5是本发明上位机控制模块所要检测的设备的树状结构图；\n[0016] 图6是本发明上位机控制模块的功能模块示意图；\n[0017] 图7a是本发明的上位机控制模块的启动界面示意图；\n[0018] 图7b是本发明的上位机控制模块的主界面示意图；\n[0019] 图7c是本发明的上位机控制模块的配置界面示意图；\n[0020] 图7d是本发明的上位机控制模块的的监测界面的示意图；\n[0021] 图8a是本发明系统采集的电压一个示例图；\n[0022] 图8b是本发明系统采集的电流一个示例图；\n[0023] 图8c是本发明系统采集的功率一个示例图；\n[0024] 图9a是采用本发明系统监控一台电脑所采集的电压示意图；\n[0025] 图9b是采用本发明系统监控一台电脑所采集的电流示意图；\n[0026] 图9c是采用本发明系统监控一台电脑所采集的功率示意图；\n[0027] 图10是采用本发明系统监控多台设备所采集的有功功率示意图。\n具体实施方式\n[0028] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。\n[0029] 一种电能测量、控制和保护系统，如图1所示，包括上位机控制模块1、IPv6-ZigBee路由器2和无线传感器节点3。如图1所示，上位机控制模块1布置在PC机上，是基于Linux操作系统的图形界面环境实现的，具有灵活的网络操作和驱动开发能力。\n上位机控制模块1在系统开始运行初期对整个建筑中的无线传感器节点3智能组网，根据用户对所要测量的设备完成对每一个无线传感器节点3的配置，具体配置内容包括分配无线传感器节点的绝对地址，设定该节点的采样周期、电流保护的限制值等。在系统运行过程中，上位机控制模块1接收IPv6-ZigBee路由器2传送的无线传感器节点3采集的电能信息数据，对电能信息数据进行分析，并进行电能控制，下发命令给无线传感器节点3。各个无线传感器节点3根据获得的配置信息上传电能信息数据、实时检测保护、定期维护系统网络。\n[0030] 对应用本发明系统的居民或办公场合中，在建筑物的每个待测设备的接线装置中布置有一个无线传感器节点3，无线传感器节点3有多个，每个无线传感器接点3具有独立的IPv6地址同时支持对等网络层协议。无线传感器节点3和上位机控制模块1之间通过IPv6-ZigBee路由器2实现数据和命令的传输。无线传感器节点3实时采集电能信息数据，将采集的电能信息数据通过跳传的方法以ZigBee无线通信协议传送给IPv6-ZigBee路由器2，并上传给上位机控制模块1。上位机控制模块1通过IPv6-ZigBee路由器2下发数据和命令给无线传感器节点3，无线传感器节点3根据上位机控制模块1设定的配置信息实现对无线传感器节点3所测的设备的电能的控制和保护，实现对整个建筑的电能的控制和保护。\n[0031] 本发明系统的数据采集是基于IPv6的协议设计，为了方便无线传感器节点3和IPv6网络的接口，在上位机控制模块1所在的PC机和无线传感器节点3之间设置了IPv6-ZigBee路由器2。IPv6-ZigBee路由器2实现不同协议数据的转换，在ZigBee无线协议上实现了IPv6网络协议；同时，使用该IPv6-ZigBee路由器2的结构，也提高了网络的传输稳定性和传输距离。\n[0032] 下面对各模块进行详细说明。\n[0033] 如图2所示，无线传感器节点3由电压电流测量模块31、Zigbee通信模块32、电源转换模块33、继电器控制模块34和微处理器模块35几个部分组成。无线传感器节点2的功能主要是测量下面7种电能信息数据：电压、电流的有效值、电压、电流的瞬时值、有功功率、无功功率和视在功率，并把测量的电能信息数据根据系统通信协议传输给上位机控制模块1。同时，无线传感器节点3接收来自上位机控制模块1控制数据，设定采样频率、数据滤波、电源控制和保护限制等信息。无线传感器节点3中的各模块在下面进行具体说明。\n[0034] 电压电流测量模块31：如图3所示，采用型号为ADE7753的差分测量芯片测量差分的电压和电流信号，电压电流测量模块31的电压电流采样电路根据差分测量信号接口特点进行设计。电压信号的采集采用1M欧姆电阻Z1和1.2K欧姆电阻Z2串联分压的方法获得交流电压的差分信号。为了降低电阻的功率并提高采样精度，1M欧姆电阻用100K欧姆电阻串联实现。电流采样采用差分电阻的方法，在火线中串联要一个毫欧姆级的电阻Z3，通过输出电流在电阻上的压降实现电压、电流的转换，获得的差分电压信号作为采样信号。\n图3中，AC表示交流电压信号，获得的差分电压信号有两路，一路是电压信号经过分压后在\n1.2K欧姆电阻Z2上的分压，一路是电流在电阻Z3上产生的压降，Z3的阻值为5毫欧，两路信号作为采样信号。\n[0035] Zigbee通信模块32主要由三部分组成：一个外置的50/100阻抗匹配变压器，提供了不平衡50欧姆到平衡100欧姆的阻抗变换，实现了电路的最佳负荷；一个由电感和电容组成的匹配网络，优化了射频信号的性能；一个带通滤波器，处理传导谐波，同时满足欧洲电信标准化协会(European Telecommunications Standards Institute，简称ETSI)的限制。Zigbee通信模块32的匹配网络是为了实现微处理器模块35的功率放大器的阻抗匹配，加入了由不平衡到平衡的转换电路，使Zigbee通信模块32具有更好的发射和接收性能。带通滤波器实现方便，保证在滤掉不需要的谐波的同时保证匹配电路的阻抗。Zigbee通信模块32和微处理器模块35双向通信，接收和发送数据。\n[0036] 电源转换模块33：无线传感器节点3用于测量居民用电的状态，供电的电压是交流220V。无线传感器节点3中的电压电流测量模块31和微处理器模块35分别需要直流\n5V和3.3V的电源，供电方法是由交流220V获取所需要的直流电源。由于开关电源电路复杂、成本比较高、对测量电路有较强的电磁干扰，并且居民用电的交流电压波动范围在10％以内，因此选择线性电源作为电源。直流电源的稳定性除了影响微处理器模块35的运行之外，更重要的是影响电压、电流、功率等电能信息的测量准确性。本发明的无线传感器节点3中，使用220V的线性电源电路供电，并使用π滤波器对直流电源滤波，以确保直流电源的稳定。电源转换模块33的设计使无线传感器节点3具有掉电监测的功能，在电源转换模块\n33中设计有超级电容，容量为1F，当交流220V断电后，电源转换模块33仍旧能够维持电源输出一段时间，大于1小时。在这段时间里，微处理器模块35判断采集的电压有效值数据，当采集的电压有效值数据保持为0的时间超过10分钟的话，认为是交流220V断电，并把这个信息上传给上位机控制模块1。\n[0037] 继电器控制模块34：在电源异常情况下报警，并由继电器控制电源的接通和断开。因为不同的用电器具有不同的功率要求，所以各无线传感器节点3的报警测量的限制值并不相同，具体由用户在上位机控制模块1上进行配置。对于每一个无线传感器节点3，在组网通信时都收到了来自上位机控制模块1的配置信息，设定了该无线传感器节点3的功率上限，也就是保护的限制值，所设定的保护限制值称为报警阈值。使用过程中供电插头连接的用电设备一般不会变化，所以只要在初次使用时预先设定保护限制值即可。当无线传感器节点3测试到有功功率超过报警阈值一定时间时(该时间是可以设定的)，比如5秒钟，就发出报警信息并根据有功功率的大小主动切断电源或者等待控制命令后再切断电源。具体无线传感器节点3报警的过程：电压电流测量模块31将采集的电能信息数据发给微处理器模块35，微处理器模块35将收到的电能信息数据与设定的报警阈值比较，判断是否需要报警，例如：设定两个报警阈值Power1和Power2，Power2大于Power1，当测量的有功功率值大于Power1的时间超过5s时，微处理器模块35通过Zigbee通信模块32将报警信息发送给上位机控制模块1，等待上位机控制模块1是否关闭电源的控制命令。当测量的有功功率值大于Power2一定时间时，例如5s，微处理器模块35控制继电器控制模块34断开开关。对于用电错误造成短路的情况，微处理器模块35根据测量的电流有效值判断，控制继电器控制模块34切断电源防止意外，同时发出报警信息给上位机控制模块1。\n[0038] 电源通断的控制需要一个开关。考虑到正常工作状态下电源供电，只有发生异常状况或者是上位机控制模块1发出切断电源的操作命令时电源才会切断；而且，对于居民供电的检测和控制，开关的操作并不频繁。因此，本发明中选择继电器作为控制的开关可以满足本发明系统的要求。正常工作状态，控制继电器线圈的晶体管处于截止状态，继电器没有上电，常闭触点处于闭合状态，作为电源控制的开关。继电器的线圈通电时，触点断开，电源断电。\n[0039] 微处理器模块35采用型号为STM32W的芯片实现，芯片的双向射频端口是共享差分接口，内部连接至低噪声放大器和功率放大器。微处理器模块35通过Zigbee通信模块\n32接收上位机控制模块1传送来的配置信息和控制命令，发送采集命令给电压电流测量模块31，接收电压电流测量模块31测量的电能信息数据，并通过Zigbee通信模块32发送给上位机控制模块1，按照上位机控制模块1的控制命令控制继电器控制模块34电源开关。\n[0040] 微处理器模块35中设计了一种分组去极值的变时长滤波方法，保证传输给上位机控制模块1的电能信息的准确性。所述的变时长滤波方法的实现过程为：针对每个电能信息数据，微处理器模块35控制电压电流测量模块31以固定采用时间t对该电能信息数据进行采集，则在上位机控制模块1对无线传感器节点3设置的采样时间T内，采集到n＝T/t个数据，按照采样的先后顺序排列，将每5个连续的电能信息数据分为一组，共分为n/5组，将每一组电能信息数据中的2个最大值和2个最小值去掉，保留中间值，共得到n/5个保留值，将n/5个保留值取平均值做为在采样时间T内的采样结果发送给上位机控制模块\n1。以电流有效值为例，设定电压电流测量模块31的采样时间为5ms。根据上位机控制模块\n1对无线传感器节点3设置的采样时间，以1s为例，在1s的采样时间内电压电流测量模块\n31可以采集的电流有效值为200个。将200个采样数据按照采样的先后顺序排列，每5个连续的数据为一组，如果是200个数据，就分成了40组。对每一组数据，去掉2个最大值和\n2个最小值，保留中间值；这样40组数据就得到了40个保留值，把这40个保留值取平均值作为上位机控制模块1设置的1s采样时间内中采集数据的输出结果。当上位机控制模块1设定的采样时间变化时，改变这一滤波过程的数据的组数n，但不改变每一组的数据个数，计算的方法不变。这种滤波取得了良好的效果，数据精度达到千分之一以内。每一组的数据设为5个，如果小于5(用3个数据时)达不到滤波效果，大于5时会带来较大的计算量，因此该方法中设定的5具有很好的效果。由电压电流测量模块31的采样时间保证，当一次滤波计算的数据大于10组时，精度达到千分之一以内，完全可以满足电能监测的要求。\n[0041] 无线传感器节点3上的微处理模块35上安装有嵌入式软件，该嵌入式软件基于嵌入式操作系统Contiki开发。嵌入式操作系统Contiki是一个开源的、高可移植的、支持TCP/IP网络，包括IPv6等的多任务操作系统。Contiki系统需要2Kb的RAM与40Kb的ROM，就能提供多任务环境和内建TCP/IP支持。Contiki包括了一个事件驱动的内核，因此可以在运行时动态载入上层应用程序。Contiki中使用轻量级的进程模型，进程间通讯通过事件利用消息来实现，可以在事件驱动内核上提供一种线性的、类似于线程的编程风格。由于具有上述优点，嵌入式操作系统Contiki非常适合移植在STM32W上开发无线传感器节点\n3上的应用程序。\n[0042] 无线传感器节点3的嵌入式软件充分利用了操作系统对IPv6网络协议的支持。具体实现了如下功能：具有自动搜索网络和组网的功能，能够动态建立测试网络；控制电压电流测量模块31对电能进行测量，并且在可能存在外界干扰的情况下处理数据，例如采用去极值后均值滤波的方法以保证数据的准确性；根据通信协议，在上位机控制模块1的控制下实现采集电能信息数据的传输，并根据控制命令按照表1所述的传输协议实现传输状态的控制和电源的开关控制。\n[0043] 如图4所示，为无线传感器节点3上的嵌入式软件主要包括的功能函数和工作流程如下：\n[0044] (1)微处理模块35自身设置有存储模块，建立有数据库，用于存储上位机控制模块1发送来的配置信息以及采集的电能信息数据等数据。开始运行无线传感器节点3上的嵌入式软件，首先，打开微处理模块35的数据库，读取数据库中的配置信息，根据该配置信息对无线传感器节点3配置，然后进入数据采集和存储状态，实时存储采集的电能信息数据并发送。微处理模块35的数据库具有这样的功能：由于上位机控制模块1安装在远程PC机上，用户对电能的监控不会是长期连续开机的，因此，微处理模块35的数据库可以在没有通信的状态下工作。当上位机控制模块1关机后，无线传感器节点3检测到这一运行状态，自动切换到电能信息存储状态，停止存储信息的发送，设定为每5分钟采样一次数据，存储于数据库中。存储模块的存储容量保证数据库可以存储1个月以上的电能数据。在上位机控制模块1工作发出通信指令后，无线传感器节点3首先发送存储的历史数据，然后进入实时采集、发送的状态。\n[0045] (2)初始化操作。在工作初始，执行初始化函数sensorInit()，根据上位机控制模块1发送的配置信息完成对无线传感器节点3的初始化操作，包括：分配无线传感器节点的绝对地址，设定该节点的采样周期、报警阈值和电流保护的限制值等。初始化函数sensorInit()中包括对微处理器模块35的初始化函数embInit7753()，用于对电压电流测量模块31的初始化，初始化操作包括：设定电压电流测量模块31为双通道的工作模式，并设定为电压、电流的有效值、瞬时值，有功功率、无功功率和视在功率的多数据采集模式。在无线传感器节点3初始化完成、准备就绪之后，执行网络的初始化函数embNetworkInit()，组建测试网络。\n[0046] (3)建立用户数据传输协议。在组网后，根据网络状态函数embNetworkState()的反馈，执行数据传输函数embSendData()和数据解析函数embReadData()，对采集的电能信息数据、控制命令和报警信息进行接收、发送和协议解析。\n[0047] (4)无线传感器节点3开始执行工作。执行应用函数applicationTick()，实现无线传感器节点3的应用功能，主要包括：控制电压电流测量模块31采集电能信息数据，控制继电器控制模块34的电源开关，接收上微机控制模块1的控制命令，上传电能信息数据等。\n例如，利用读操作函数readOperation()和写操作函数writeOperation()控制电压电流采集模块31测量电能信息数据。\n[0048] ZigBee无线协议的栈结构由物理层、媒体接入控制层、网络层和应用层组成。网络层和应用层上的协议由ZigBee联盟制定，物理层和媒体接入控制层采用IEEE802.15.4标准。由于IEEE802.15.4的网络特性决定了IPv6不能直接构建于IEEE802.15.4网络上，因此在实现基于IPv6的IEEE802.15.4时存在一系列的问题，而这也是本发明中所采用的网络通信协议所要解决的问题。\n[0049] 采用ZigBee无线协议进行数据传输的无线传感节点3接入IPv6网络有两种方法，全局IP地址方式和对等网络方式。\n[0050] 全局IP地址方式是无线传感器节点3与IPv6网络之间的一种无缝结合方式，充分地利用了IPv6的新特性。该方式要求每个无线传感器节点3都支持IPv6协议，实现网络互联。采用全局IP地址方式为网络融合提供了方便；IP组网技术相对新型组网技术更容易被人们理解与接受；全局IP地址方式通过有线网络或无线网络将若干无线传感器节点3连接到IPv6网络，实现互联，是最简单方便的方式。全局IP地址方式是以地址为中心，对于主要功能是根据上位机控制模块1的指令进行数据采集的无线传感器节点3，采用全局IP地址方式解决通信问题将使工作效率降低，增加了无线传感器节点3通信的功耗。但若单独地对每个无线传感器节点3进行访问的情况下，应该为每个无线传感器节点3配置全局IP地址；当用户单独访问与控制某些特殊的无线传感器节点3时，这些特殊的无线传感器节点3也应该具有全局IP地址。因此，全局IP地址非常适用于对单独的无线传感器节点3的访问与控制，为整个通信协议框架提供有力支持，加之已非常成熟完善的各种IP技术，具有一定的改进发展空间和潜在优势。\n[0051] 对等网络方式通过设置特定的路由器，在无线传感器节点3和IPv6的相同协议层之间进行协议转换，实现内外网络之间的互联。这种方式下路由器必须支持Ipv6协议。按照网关工作层次的不同，可分为应用层网关和Net-work address translation(NAT)网关两种方式。应用层网关方式的核心方法是由设置在WSN与Internet之间的网关在应用层进行协议转换，实现数据转发功能。缺陷在于用户透明度低，WSN提供的各种服务使用困难，而且网络协议不一致。NAT网关方式的核心方式是由NAT网关在网络层进行地址和协议的转换，初始条件必须在WSN中采用以地址为中心的网络协议，在外网采用Ipv6网络协议，实现数据转发。\n[0052] IPv6-ZigBee路由器2和无线传感器节点3的设计实现了全局IP地址方式和对等网络方式两种方式的融合，实现的方法：上位机控制模块1发送的数据为IPv6数据格式，其数据组织根据应用层的协议，数据的阐述协议遵循IPv6协议格式。IPv6-ZigBee路由器2支持IPv6协议，接收上位机控制模块1发送的数据并解析该数据，并把数据以ZigBee无线协议格式重新组织，重新组织的数据中通过两种方式保证数据的可靠性：1、各个数据包按照顺序编号；2、数据在最后一帧添加累加和校验。IPv6-ZigBee路由器2通过无线方式发送数据给无线传感器节点3，无线传感器节点3通过ZigBee无线方式接收数据，并解析接收过的数据，利用数据包得顺序编号和和校验的方式保证数据正确性。无线传感器节点3对接收过的数据按照IPv6协议格式重新组织，得到数据中包含的绝对地址信息和应用协议。无线传感器节点3向上位机控制模块1发送数据的过程和上述过程相反。同样，IPv6-ZigBee路由器2在重新组织的数据中也对各数据包按照顺心编号，并在数据的最后一帧添加累加和校验，以保证数据传输的正确性。\n[0053] 本发明中采用的IPv6-ZigBee路由器2融合了所述的全局IP地址方式和对等网络方式，无线传感器节点3都支持IPv6协议，同时用路由器2解决了ZigBee的传输距离的限制。无线传感器节点3将采集到的电能信息数据经过单跳或多跳传送至IPv6-ZigBee路由器2。IPv6-ZigBee路由器2作为WSN内部网络与用户终端的接口，实现数据的暂存和转发。因为无线传感器节点3支持IPv6协议，对于用户终端，每一个无线传感器节点3都有独立的地址，具有很好的透明性。\n[0054] IPv6-ZigBee路由器2作为WSN中最大的汇聚点，需要收集WSN的数据，协议转换模块获得这些数据信息和附加信息后，进行正确的处理或转发。同时路由器2在逻辑上成为以太网中的一个节点，有能力与远程的上位机控制模块1进行通信，接收IPv6网络的数据包并进行处理。本发明IPv6-ZigBee路由器2中的微处理器采用型号为S3C2410的芯片，采用型号为CC2420的射频芯片，支持IEEE802.15.4标准，工作频带范围为2.4GHz～2.483 \n5GHz，传输速率达250Kb/s。另一个接口用于与WLAN连接，采用WLAN接口实现与IPv6网络和用户终端的通信。\n[0055] 本发明系统中所采用的通信协议的通信数据格式分为三种：命令帧、数据帧和状态帧，如表1所示。命令帧用于实现上位机控制模块1对传感网络节点3的命令设置，帧格式的CMD部分实现了不同的命令功能。数据帧的作用是传感器网络节点3向上位机控制模块1发送测量的电能信息数据，并通过累加和校验。状态帧用于上位机控制模块1和无线传感节点3的通信状态交互。上位机控制模块1通过命令帧向无线传感器节点3发送控制命令，并设置相关配置参数。无线传感器节点3根据命令内容回复状态帧或数据帧。\n[0056] 表1系统通信协议的通信数据格式\n[0057] \n[0058] \n[0059] 由于无线传感器节点3被安装在建筑物墙壁内，与原有86盒插座外形一致，因此在上位机控制模块1中要考虑在一栋建筑中的不同房间以及插座的分层管理，主要的层次内容如下：\n[0060] 针对一栋建筑：能够查看整栋建筑的电能使用情况；能够查看每个房间的电能使用情况；能够对比和分析每个房间的电能使用情况；能够对房间进行总体上开关电源的控制。\n[0061] 针对一个房间：能够查看房间整体电能消耗情况；能够查看每个被测设备的电能使用情况；能够对每个被测设备的电能进行控制；能够比较每个被测设备的电能使用信息。\n[0062] 针对一个被测设备：能够查看电能使用情况；能够对被测设备的电能进行控制和设置。\n[0063] 因此将建筑、房间以及监测设备从逻辑上设计为一种树状结构，以建筑物为根，进行分层管理。形式如图5所示。\n[0064] 上位机控制模块1与无线传感器节点3之间采用IPv6无线网络通讯，相对于ZigBee无线协议，使用IPv6无线网络在控制上更为简单，通过IPv6-ZigBee路由器2可以实现无线传感器节点3的全局IP地址访问。上位机控制模块1采用Qt开源软件库编写实现。Qt是Linux平台下著名的GUI图形库，拥有丰富的接口函数和稳定的系统结构。\n[0065] 如图6所示，上位机控制模块1分为如下几个功能模块：\n[0066] 网络通讯模块11：负责与无线传感器节点3之间通过IPv6-ZigBee路由器2建立IPv6网络通讯，根据用户定义数据协议进行封包和拆包的工作。\n[0067] 数据库通讯模块12：负责数据库的存储工作，将从网络通讯模块11传送来的无线传感器节点3采集的电能信息数据保存起来，以便做统计和分析工作。在数据库通讯模块\n12中对每个无线传感器节点3，根据该节点的IP地址和采集时间二维信息作为索引存储对应节点的电能信息数据，并根据用户设置的树状逻辑结构依次建立每一级索引。\n[0068] 用户UI(User Interface，用户界面)模块13：系统的核心模块，负责与用户交互和其他模块之间的数据通讯。用户UI模块13主要用于：(1)根据用户设置在整个建筑中的无线传感器节点3建立树状逻辑结构，并为每个无线传感器节点3分配一个独立的IPv6地址，接收用户输入的配置信息，并将配置信息通过网络通信模块11传送给相应的无线传感器节点3，根据用户的设置，向无线传感器节点3发送数据采集控制命令。(2)向无线传感器节点3发送相应的控制命令以控制无线传感器节点3工作：控制无线传感器节点3所检测的设备的电源开关的闭合；查询无线传感器节点3的工作状态；设置无线传感器节点\n3的工作模式，采用自动采样工作模式或者手动采样工作模式；设置无线传感器节点3采样周期；设置无线传感器节点3的报警阈值和报警模式。(3)从数据库通讯模块12中读取无线传感器节点3的电能信息数据，统计被测设备的电能总消耗量，统计整个房间或整栋建筑的电能总消耗量，以及各被测设备或各房间的电能使用比例，将统计的信息显示给用户查看。在进行统计分析时，用户可以选择测量的7种数据的任意一种或多种作为统计对象，选定需要统计分析的数据范围和时间长度。例如：选择的是图5中公寓1的所有用电设备，统计时间范围是2011年1月1日到2011年1月31日，选择统计对象为有功功率和电流有效值。上位机控制模块1从数据库通讯模块12中读取对应的电能信息数据，对公寓1包含的所有用电设备在2011年1月1日到2011年1月31日的有功功率和电流有效值作出统计分析，然后将得到的结果以数据表格的形式或者是柱状图的形式给出。(4)根据用户的设置，对被测设备或房间或建筑的电能使用量进行控制。例如，设置某个电器一天的使用量为M，若上位机控制模块1在一天中统计该电器的使用量超过了M，则发送断开该电器的电源开关的控制命令给无线传感器节点3。(5)根据用户对接收到的报警信息的处理决定，下发控制无线传感器节点3所测设备的电源开关的控制命令。本发明所述的上位机控制模块1所设置的人机交互界面的启动界面如图7a所示，主界面如图7b所示、配置界面如图7c所示和监测界面如图7d所示。\n[0069] 上位机控制模块1通过一台计算机连接互联网，把IPv6-ZigBee路由器2通过互联网和上位机控制模块1连接，如果监测多个房间或者整栋建筑物，需要根据无线传感器节点3的传输距离安装多个IPv6-ZigBee路由器2。无线传感器节点3安装在墙壁中的安装盒内，不会给用电环境带来任何影响。无线传感器节点3通过Zigbee无线网络连接路由器2，当无线传感器节点3安装并通电运行后，它会自动动态添加到网络，并获得一个独立确定的IP地址。当所有无线传感器节点3安装并运行后，上位机控制模块1记录它们的IP地址并建立对应的关系。然后，把要监测的用电设备连接到安装了无线传感器节点3的用电盒，在检测过程中这种连接关系不再改变。在上位机控制模块1中标记每一个无线传感器节点3所连接的用电设备，运行后就可以实现实时数据监测。\n[0070] 本发明系统正常工作的一个基本前提是网络中ZigBee的无线传输是稳定的。因为工作环境比较单一，受到的干扰因素较少，传输距离和障碍物的阻挡是影响系统工作稳定性的最主要因素。本发明的优选的设置为：在安装天线的条件下，当没有障碍物，无线传感器节点3和IPv6-ZigBee路由器2的最大传输距离不超过70米；当有障碍物存在时，无线传感器节点3之间距离、无线传感器节点3与IPv6-ZigBee路由器2在不超过20米的情况下通信较为可靠。受安装空间的限制，如果不使用天线，节点间的可靠传输距离为10米。\n在保证了传输距离的情况下，IPv6-ZigBee路由器2能够很好的实现对各无线传感器节点3的通信控制，保证无线传感器节点3和上位机控制模块1通信的实时性。由于系统的通信延时很短，通常情况下为几十微秒，能够很好的满足测量要求。\n[0071] 本发明的设计在电压、电流的瞬时值、有效值，有功功率、无功功率和视在功率的测量精度和线性度方面都有很高的精度。以电流为例，调整工作电流分别取0A、2.5A、5A、\n7.5A、10A，如图8a所示，数据采集时间间隔是1s，图8a中所示测量结果有很好的精度。图\n8b给出了工作电流5A时测量数据的离散性，可以看到数据在4.98A至5.04A之间，数据波动很小。图8c给出了工作电流采集数据的线性度，显示出了各次测量的数据具有很好的线性度，横坐标表示测量的次数。结果说明无线传感器节点3数据采集的偏差在千分之八以内，上位机控制模块1处理输出数据精度高于千分之一。\n[0072] 在采用本发明所提供的系统对对用电设备、建筑物的房间或整栋建筑物的用电数据进行采集和分析后，可以进而针对用电情况作出节约能源的方案。\n[0073] 下面针对某个学生实验室，采用本发明系统进行用电状况的统计和分析。在学生实验室中安装了30个无线传感器节点3，使用过程中每个无线传感器节点3监测一个用电设备。这些用电设备包括电脑、投影仪、示波器、信号发生器、烙铁、电机试验平台等。无线传感器节点3一天24小时工作，监测并传输所监视的用电设备的电能消耗情况。将该实验室中的30个无线传感器节点3通过一个IPv6-ZigBee路由器2与上位机控制模块1之间建立网络通信。\n[0074] 图9a-9c为对一台电脑的电压有效值、电流有效值和有功功率的统计示意图。图\n9a中可以看出，实验室的电压稳定在220V左右，在用电设备打开或者关闭时有一些波动。\n图9c中电脑的消耗功率为220W。在电脑开机时关闭显示器，可以看到传感器节点的功率为170W，如图9c中凹下去的地方所示，则显示器消耗的功率大概是50W。如果实验后忘记关闭显示器电源，24小时浪费的电能就是1.2千瓦时。\n[0075] 图10为对投影仪、烙铁和示波器三个用电设备进行测量的有功功率的示意图。投影仪在用电设备中消耗的功率较大，测量结果是310W左右。在实验室使用时，授课教师在使用后忘记关闭投影仪会浪费较多电能。示波器的功率消耗大概80W，烙铁的功率是30W。\n在该实验室中，烙铁的使用过程中能够做到不使用的时候关掉电源，而示波器在整个上课过程会工作比较长的时间。