基于Zigbee协议的无线传感器网络在单相电力监控系统中的应用

基于Zigbee协议的无线传感器网络在单相电力监控系统中的应用Muhammad Fajri Bayu Anbya, Muhammad Salehuddin, Sutanto Hadisupadmo, Edi LeksonoDepartment of Engineering Physics, Bandung Institute of TechnologyJalan Ganeca 10, Bandung. Indonesiamr.anbyagmaiLcom, muh.salehuddingmaiLcom, sutantotfitb.ac.id, editf.itb.ac.id摘要：在工业自动化和智能建筑设备的审计和能源管理系统的发展已经被研究了许多年。电能监控系统现在使用基于无线网络应用的实时测量设备。本文中我们考虑一种基于能量计IC ADE7753的用于单相电力监控系统的星型结构无线传感器网络的应用。Zigbee作为无线协议使用。它有许多好处，比如说低成本，低功耗，低数据速率，而且支持网状网络IEEE 802.15.4。对于服务器监控系统，Ext-JS框架被作为与IDE Arduino集成的客户端编程。统计表示，对于30个测量数据样品，电流测量直到5.3Arms可以保证给出精确值，错误率为0.03%，电压测量直到226.5Vrms可以保证给出精确值，错误率为1.23%。实际上，测量数据每10秒的间隔出现一次，在有障碍下4最大传输距离为40米，无障碍下传输60米。关键词：无线传感器网络，单相电力监控系统，Zigbee协议，能量计IC ADE7753.简介能源是必不可少的。在建筑物里，电能是唯一的一种为了灯光系统，HVAC和电子设备的使用等各种目的而消耗的能量载体。然而，不可否认的是大多数商业建筑和长期经营的工业部门有浪费性的消耗能源的倾向。在美国，公司和工厂的能量消耗一般能够达到平均30%-40%1。在工业自动化和智能建筑设备的审计和能源管理系统的发展最近几年已经开始研究了2。缩小能源消费的操作成本而不减少产量是有需要的。能源审计的对象集中在工业制造行业和商业建筑的营利活动中的电能消耗。应对这个问题的最好方式就是设计一种电能监控系统。这个系统允许实时的进行先进的测量和电能数据获取。监控和数据获取对于观察当地资源，监视能量转化效率，使用交互通讯系统发送错误报告是重要的。今天，被运用到诸如家庭控制，楼宇自动化，工业过程控制，健康护理和能源管理等多样化应用上的无线通讯技术正变得越来越流行。一些研究人员已经开始研发无线技术的应用，例如将无线能量计的读数整合进传感器网络，设计一个基于集成电路的无线能量计规范3。本文建议一种基于能量计IC ADE7753的用于单相电力监控系统的星型结构无线传感器网络。Philip Ring已经采用它来开发具有内嵌2.4GHz 802.15.4模块的能量计无线协议4。Zigbee被作为具有了很多诸如低成本，低功耗，低数据速率以及对网状结构网络 IEEE 802.15.4的支持等优势的开源无线协议5。Zigbee协议已经在建筑物能源监控的系统集成中被开发了6-7。对于服务器监控系统，Ext-JS框架被作为与IDE Arduino集成的客户端编程。.概念设计在电力监控系统设计中的概念就是无线传感器网络（WSN）应用。传感器网络最初包含小的或大的节点。这些节点扮演了终端设备，路由器和协调器的角色。本文中，终端设备被指定作为主设备，协调器被指定为基站。在主设备和基站之间的无线通信功能在Xbee OEM RF模块中通过Zigbee协议被重建。星型结构用于无线网络系统，在这个网络系统中有一个基站功能和一些其他功能作为传送测量数据和数据获取系统的主设备（终端设备）。图1.星型结构应用在无线网络系统中图2.电力监控系统概念设计A. 系统结构应用Zigbee无线传感器网络的电力监控系统结构设计在图2中进行了描述。这个系统被分成3个部分，有主设备，基站和服务器。1） 主设备图3.主设备过程框图能源监控系统从电流传感器和电压传感器这两个传感器的感应过程开始。能用的电流传感器有电流变换器和分流器或者罗氏线圈。电压传感器是一个简单的电压分压电路。为了向能量计芯片ADE7753Z输入数据，每个传感器的电压输出信号必须被限制在0-500mv范围内。然后从ADE7753获得的信号将会被ADC转换并且存储在寄存器地址。这个数据将会以有功功率，视在功率，真正节能，视在节能和周期的形式来反映电能的情况。Arduino是主设备的大脑。Arduino将会从激活，数据寄存器定义，数据存储和数据操作来设置ADE7753系统。寄存器包含的重要数据将会被Arduino携带并且存储进RAM。在ATMega微控制器IDE Arduino操作数据转换的计算之后，每一个电量数据都将被打包进一个长信息，然后使用Xbee模块从主设备到基站无线发送。2） 基站图4.基站流程框图基站将会从Xbee模块接收来自主设备的信息。信息内容的长度将会使用Arduino算法提取出来。在基站硬件模块，通过TCP/IP安装了一个作为在Arduino和LAN网络之间的接口Ethernet Shield。Ethernet Shield将会把一系列数据从Arduino转换到可以通过TCP/IP传送的数据帧。因此，这些工具可以看做当从主动服务器有一个查询或请求时提供应答的被动服务器。3） 服务器图5.web服务器的进程图Web服务器接从基站收到一个数据采集的应答。数据检索也叫做数据读取，它能从PHP程序现有的函数中获得。谈后这个信息将被直接存到为了这个应用而事先特意配置并启动的MySQL数据库中。此时，数据便受到了保护，能够在以后监测电能的网络应用的目的中进行使用。B标准无线能源测量设备用于测量建筑物房间里的电能使用，需满足以下要求：单相交流电系统;电压供给，Vrms=220V;交流信号频率，f=50HZ;电流，Irms=10A.要获得的电能数据包括Vrms，Irms，有功功率，视在功率，功率因数，每十秒钟内的频率。图6.无线测量主设备的原型图7.基站的原型在物理上，基站包括：Arduino Duemilanove,Arduino Ethernet Shield,Xbee-Pro 模块。C网络配置无线网络配置意味着配置Xbee模块的参数。就是要管理寻址功能，安全性和其他串口。一些配置的参数列在了表I中。表1.XBEE模块的网络配置D网络监测器网络服务器使用为其提供了专业应用程序包的免费软件XAMPP来构建。XAMPP中在服务器电脑上用到的应用程序有：Windows XP操作系统Apache 2.2.11作为HTTP网络服务器PHP 5.2.9作为应用程序服务器端应用程序MySQL 5.1作为数据库服务器Ext-JS作为客户端应用程序设计网络监测器的工作氛围一下几个阶段：1）数据获取：使用向基站IP地址的HTTP请求，从基站的被动服务器获取数据字符串。这个过程通过经由Ajax调用PHP/HTML文件来运行。2）数据存储：获取步骤中数据字符串用于数据库系统数据输入。这个系统被定义成将字符串数据分解成一个数值变量功能，并把它存进MySQL数据库。3）Ext-JS网络应用程序：网络监测器应用程序是系统的一部分，用于与用户进行交互以及以数字或者图表形式向用户提供电能使用数据。这些应用程序利用了一个开源客户端程序，Ext-JS.监测网络程序被做成单页面显示的形式。它包含三个面板：浏览器，控制面板和实时数据。浏览器面板给出了显示哪种数据的选择项控制面板将显示基于浏览器选择面板的数据实时数据面板实时显示了电能使用量的数据并且每10秒钟刷新一次。这里提供的电量数据是Irms，Vrms，有功功率，视在功率，功率因数和每个阶段的频率。电能使用量的配置文件将根据需要的时间单元进行累计，比如每个小时，每天，每月。这个检测web接口可以在图8中看到。.校准和测量测试系统测试包括测量测试和原型的校准。接下来测试其稳定性，线性度和基于网络监测器的表现。A. 测量测试满量程的Irms是1868467d（0x1C82B3）.如图2所示，很容易得到一些重要数值。Gi获得了电流的测量值；Gv获得了电压的测量值；Si是电流测量的分辨率；Sv是电压测量的分辨率。从计算结果来看，表明在A和V的要求下利用无线传感器进行的测量具有很高的精度。图8.使用Ext-JS网页的监测器网络界面B稳定性系统图.ICADE7753错误百分比计算表展示了每个通道的测量结果。通道1是电流测量的输入，通道2是电压测量的输入。对于30个数据测量样本，由ADE7753执行的计算的输出值对电流测量有平均0.03%（0.1%）的错误率，对电压测量有平均1.23%的错误率。在数据采样期间，在第三次采样中有一个错误，然后这将可能导致6%的错误率。然而整个数据采集可以说是稳定的。C线性度系统和校准测试将被分析来确定基于IC ADE7753的作为能量测量工具的主设备的表现。这个测试使用信号发生器来模拟或者输出50HZ频率的交流电流和交流电压信号。被Arduino转换的ADE7753的输出和使用电压表测量的输入电压比较，如图9和图10所示。图9.通道1的线性度系统测试（电流测试）图10.通道2线性度系统测试（电压测量）这个线性方程式将会被应用到Arduino来在数据记录发生时对电流和电压计算结果校准。因此，计算过程组成了这些测量，将会更精准和有效。.网络监测器的实现系统在万隆科技学院，T.P.Rachmat建筑3楼，沿着走廊和一些房子处进行了实现。下面是10秒钟刷新的数据记录的结果表.电力监测系统采样图在高速公路上（没有障碍），从1米到60米距离的响应时间具有固定的值，是637ms，这之间RSSI指示器的值从-42dBm到-88dBm。当在中部（有障碍）执行时，设备原型仍然可以工作来接收数据包裹并且如图所示对40米距离响应。因此，设备原型是可以在有障碍的情况下在40米距的离或者在应用到建筑物走廊的没有障碍的情况下在超过40米的距离内有效使用的。无线传感器网络建设通过增加路由器设备可以覆盖大于60米的半径。图.设备原型无障碍时响应时间（走廊）图.设备原型在有障碍时响应时间从基站取得数据字符串的过程平均花费了315.3ms。这表明抓取连续镜头的过程不超过10秒的预期数据。就像是平均花费52ms的MySQL查询数据这个过程。这个过程很快，因为这个过程包含数据分析和数据存储进入数据库。这样，有着10秒数据采样周期的电能检测系统可以很可靠的使用。图11.电能检测系统信息图11展示了检测系统的采样情况。展示了用于决定从2012.1.30. 15:09:05到16:37:55pm进行数据采样的数据库的获取和查询的状态的仪表。这个任意数据是从测量设备产生的。可以看到在553个采样数据中没有瑕疵（坏数据）。.总结应用于单相电力监测系统的无线传感器网络已经通过Zigbee协议成功设计出来。这个网络包含两个传感器节点，由一个作为主设备节点的能量计，一个作为集中器的基站节点和网络服务器三部分组成。在统计学上，对于30个测量数据样品，电流测量直到5.3Arms可以保证给出精确值，平均错误率为0.03%，电压测量直到226.5Vrms可以保证给出精确值，错误率为1.23%。数据测量在10秒间隔之内发生，在有障碍下最大传输距离为40米，无障碍下传输距离为60米。通过533个随机测量数据样本，以看到没有瑕疵（坏数据）。感谢这项研究是由工程物理部门资助的。参考文献1 U.S, Department of Energy, 2007, Buildings Energy Databook, Ofce of Energy Efciency and Renewable Energy, 2 OSadowicz, Andrzej, Intelligent building systems as a tool for monitoring power consumption ad quality in a building, in Electrical Power Quality & Utilization Magazine,vo1.3, issue 2, June 2008, Leonardo Energy, 3 Das, v.v. Wireless Communication System for Energy Meter Reading, Advances in Recent Technologies in Communication and Computing, 2009, ARTCom 09, Interational Conference on , pp,896-898, 27-28 Oct. 2009 4 R, Philip; T,Lasse; L,Thomas, Wireless Energy Meter. Fraunhofer Institute for Open Communication Systems, FOKUS, 10589 Berlin, Germany, Agustus 2009, 5 Daintree Network Inc, Getting Started With Zigbee and IEEE 802,15.4, Daintree Network Inc, 2004-2010