本发明涉及用电监测领域，具体而言，本发明涉及一种基于物联网的校园用电监控系统。
背景技术：
现有的用电监控系统多采用rs485通讯总线方式，挂接节点的数量受线路电气特性限制，搭建包含大量节点的系统投入成本过高，不利于扩展。总线方式同时还存在布线工程巨大，线路复杂，故障点查找与线路更换麻烦，维护不便等缺陷。而无线通信技术中的蓝牙组网规模小，距离近；wi-fi覆盖范围有限，功耗大；通用分组无线服务技术(generalpacketradioservice，简称gprs)的成本高，不利于推广。
技术实现要素：
为了寻找更为有效的用电监控系统的实现方案，本发明提供了一种基于物联网的校园用电监控系统，该基于物联网的校园用电监控系统包括上位机、至少一个监控节点、用于将所述监控节点采集的用电数据上传至所述上位机并将所述上位机指令下发至所述监控节点的协调器、至少一个路由器，所述路由器与所述协调器无线连接，所述监控节点通过所述路由器与所述协调器或者直接与所述协调器无线连接。
优选地，所述路由器包括第一层路由器直至第n层路由器，所述第一层路由器与所述协调器直接连接，所述第n层路由器通过所述第n层路由器的上一层路由器与所述协调器连接，其中n为大于1的自然数。
优选地，所述监控节点包括用于同所述路由器或者所述协调器无线连接的天线、用于采集用电数据的采样模块、用于接收上位机指令的主控单元、用于断电的继电器模块、用于报警的报警器模块、用于存储用电数据的外部存储器，用于为所述采样模块、主控单元、继电器模块、报警器模块、外部存储器提供工作电压的电源模块，所述天线、采样模块、继电器模块、报警器模块、外部存储器分别与所述主控单元连接。
优选地，所述监控节点包括连接在所述主控单元与所述天线之间的功放单元，所述天线通过rp-sma接口与所述功放单元连接。
优选地，所述功放单元为一集成电路，其型号为rfx2401c。
优选地，所述主控单元为一集成电路，其型号为cc2530。
优选地，所述采样模块包括采样控制单元、电压采样电路和电流采样电路，所述电压采样电路和所述电流采样电路分别连接采样控制单元，所述采样模块通过所述采样控制单元与所述主控单元连接。
优选地，所述电压采样电路包括变压器t1、电阻r1、电阻r2、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电容c1、电容c2、电容c3，其中，
所述电压采样电路通过所述电阻r1的一端以及所述电阻r6的一端与所述采样控制单元连接；
所述变压器t1的一侧与零线n并联，另一侧与电阻r4并联；所述电阻r4的一端连接于所述电阻r1的另一端，所述电阻r4的另一端连接于所述电阻r6的另一端；
所述电阻r2和所述电阻r5相串联，所述电阻r2的一端连接于电阻所述r4与所述电阻r1的连接处，另一端接地并与所述电阻r5的一端连接，所述电阻r5的另一端连接于所述电阻r4与所述电阻r6的连接处；
所述电容c1与所述电容c3相串联，所述电容c2与串联后的所述电容c1与所述电容c3并联，所述电容c1的正极连接于所述电阻r1与所述采样控制单元的连接处，负极接地并与所述电容c3的正极连接，所述电容c3的负极连接于所述电阻r6与所述采样控制单元的连接处。
优选地，所述电流采样电路包括变压器t2、电阻r7、电阻r9、电阻r8、电阻r10、电阻r11、电容c4、电容c6、电容c5，其中，
所述电流采样电路通过所述电阻r7的一端以及所述电阻r11的一端与所述采样控制单元连接；
所述变压器t2的一侧与零线n串联，另一侧与所述电阻r9并联；
所述电阻r9的一端连接于所述电阻r7的另一端，所述电阻r9的另一端连接于所述电阻r11的另一端；
所述电阻r8和所述电阻r10相串联，所述电阻r8的一端连接于所述电阻r9与所述电阻r7的连接处，另一端接地并与所述电阻r10的一端连接，所述电阻r10的另一端连接于所述电阻r9与所述电阻r11的连接处；
所述电容c4与所述电容c6相串联，所述电容c5与串联后的所述电容c4与所述电容c6并联，所述电容c4的正极连接于所述电阻r7与所述采样控制单元的连接处，负极接地并与所述电容c6的正极连接，所述电容c6的负极连接于所述电阻r11与所述采样控制单元的连接处。
优选地，所述采样控制单元为一集成电路，其型号为cs5460。
与现有技术相比，本发明一种基于物联网的校园用电监控系统如有如下有益效果：
本发明一种基于物联网的校园用电监控系统通过层状设计的无线网络架构以及采样控制单元之电能监测专用芯片cs5460以及主控单元的设置，实现对用电数据的精确测量，同时通过无线网络进行数据交互，可以监控楼层内任何功能分区的用电情况，具有低功耗，低成本，安装灵活，抗干扰能力强和易于维护等优点，有广阔的应用前景。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例一种基于物联网的校园用电监控系统的整体模块结构示意图；
图2为本发明实施例一种基于物联网的校园用电监控系统的第一监控节点的模块结构示意图；
图3为本发明实施例一种基于物联网的校园用电监控系统的第一监控节点的采样模块的电路结构示意图。
图中标识说明：
1、第一监控节点；2、第二监控节点；10、采样模块；101、电压采样电路；102、电流采样电路。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明实施例一种基于物联网的校园用电监控系统，包括上位机、至少一个监控节点、用于将监控节点采集的用电数据上传至上位机并将上位机指令下发至监控节点的协调器、至少一个路由器，其中，路由器与协调器无线连接，监控节点通过路由器与协调器或者直接与协调器无线连接。
在一些实施方式中，用电数据的传输优选采用高级加密标准(advancedencryptionstandard，缩写：aes)加密算法提高该基于物联网的校园用电监控系统的稳定性和安全性
优选地，路由器包括第一层路由器直至第n层路由器，其中，第一层路由器与协调器直接连接，第n层路由器通过第n层路由器的上一层路由器与协调器连接，n为大于1的自然数。
请参阅图1，示例地，路由器包括两个路由器，也即与协调器直接连接的第一层路由器和通过第一层路由器与协调器连接的第二层路由器，其中第二层路由器是第一层路由器和的直接下级。
值得注意的是，第一层路由器直至第n层路由器之间除了配置的网际协议地址(internetprotocoladdress，简称ip地址)以及相应的映射端口参数不同之外，硬件上并无不同。因此，通过给至少一个路由器以及至少一个监控节点配置具有一定层次的ip地址就可以拓扑成满足任意场景的用电监控网络的需求。同上所述，监控节点可以包括第一监控节点1直至第m层路由器，其中，m为大于1的自然数。示例地，如图1所示，监控节点包括与第一层路由器同层的与协调器直接连接的第一监控节点1以及与第二层路由器同层的通过第一层路由器与协调器连接的第二监控节点2。
请参阅图2，考虑第一监控节点1直至第m监控节点在硬件上基本相同，因此，下面仅以第一监控节点1为例解释说明本发明实施例的监控节点，应当理解，该解释效力及于本发明实施例中的第m监控节点。
第一监控节点1包括用于同路由器或者协调器无线连接的天线、用于采集用电数据的采样模块10、用于接收上位机指令的主控单元、用于断电的继电器模块、用于报警的报警器模块、用于存储用电数据的外部存储器，用于为采样模块10、主控单元、继电器模块、报警器模块、外部存储器提供工作电压的电源模块，其中，天线、采样模块10、继电器模块、报警器模块、外部存储器分别与主控单元连接。
主控单元为采用支持基于ieee802.15.4标准的低功耗局域网协议也即zigbee协议的系统级芯片，其包括与采样模块10连接的采样端、与电源模块连接的电源端、与报警器模块连接报警端、与外部存储器连接的存储端、与继电器模块连接的控制端以及与天线连接的rp-sma接口。
值得一提的是，为了保证信号的稳定性，监控节点还设置了连接在主控单元与天线之间的功放单元，也即天线通过rp-sma接口与功放单元连接，这样就增强了信号的强度。
优选地，功放单元为一集成电路，其型号为rfx2401c，主控单元通过巴伦匹配电路与功放单元连接。
优选地，主控单元为一集成电路，其型号为cc2530，该芯片集成了射频收发模块和增强型8051cpu内核。
请参阅图3，采样模块10包括采样控制单元、电压采样电路101和电流采样电路102，其中，电压采样电路101和电流采样电路102分别连接采样控制单元，采样模块10通过采样控制单元与主控单元连接。
采样控制单元包括采样电压输入端vin+、采样电压输入端vin-、采样电流输入端iin+、采样电流输入端iin-，其中，电压采样电路101和电流采样电路102通过采样电压输入端vin+、采样电压输入端vin-、采样电流输入端iin+、采样电流输入端iin-与采样控制单元连接。
电压采样电路101包括变压器t1、电阻r1、电阻r2、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电容c1、电容c2、电容c3，其中，电压采样电路101通过电阻r1的一端以及电阻r6的一端与采样控制单元的电压输入端vin+连接；变压器t1的一侧与零线n并联，另一侧与电阻r4并联；电阻r4的一端连接于电阻r1的另一端，电阻r4的另一端连接于电阻r6的另一端；电阻r2和电阻r5相串联，电阻r2的一端连接于电阻r4与电阻r1的连接处，另一端接地并与电阻r5的一端连接，电阻r5的另一端连接于电阻r4与电阻r6的连接处；电容c1与电容c3相串联，电容c2与串联后的电容c1与电容c3并联，电容c1的正极连接于电阻r1与采样控制单元的连接处，负极接地并与电容c3的正极连接，电容c3的负极连接于电阻r6与采样控制单元的采样电压输入端vin-的连接处。
电流采样电路102包括变压器t2、电阻r7、电阻r9、电阻r8、电阻r10、电阻r11、电容c4、电容c6、电容c5，其中，电流采样电路102通过电阻r7的一端以及电阻r11的一端与采样控制单元的采样电流输入端iin+连接；变压器t2的一侧与零线n串联，另一侧与电阻r9并联；电阻r9的一端连接于电阻r7的另一端，电阻r9的另一端连接于电阻r11的另一端；电阻r8和电阻r10相串联，电阻r8的一端连接于电阻r9与电阻r7的连接处，另一端接地并与电阻r10的一端连接，电阻r10的另一端连接于电阻r9与电阻r11的连接处；电容c4与电容c6相串联，电容c5与串联后的电容c4与电容c6并联。电容c4的正极连接于电阻r7与采样控制单元的连接处，负极接地并与电容c6的正极连接，电容c6的负极连接于电阻r11与采样控制单元的采样电流输入端iin-的连接处。
在一些实施方式中，火线l与零线n之间还设置有电阻r3，其中，电阻r3的一端与火线l连接，另一端与零线n连接。
优选地，采样控制单元为一集成电路，其型号为cs5460，其内部包含两个δ-σ模数转换器、高通滤波器和低通滤波器，具有相位补偿和数字校准功能，有等待和休眠两种节能模式可供选择，以其为核心设计的电度表精度可达0.5级。
优选地，主控单元通过采样端与cs5460的片上双向串行外设接口相连。
为了节能减耗，本发明实施例一种基于物联网的校园用电监控系统还根据采样控制单元设置了休眠模式，其中休眠模式包括zigbee模块休眠和电能监测模块休眠。
该基于物联网的校园用电监控系统定时结束，需要读取并发送监测数据时，唤醒两个休眠模块，处理其他事件只唤醒zigbee模块。协调器启动时，首先选定信道和网络标识符建立无线网络，之后就和路由器一样，接受监控节点加入网络，向上传输数据包，向下广播指令。
在实际校园宿舍使用中，上位机可以匹配节点地址与宿舍号，设置串口属性，调整报警阈值，当接收到协调器上传的数据包时，上位机还可以处理数据实现动态显示，绘制任意节点的实时曲线，查询历史数据和报警记录。对于违规用电宿舍，用电超出部分在设定值的百分之十以内发送报警指令，超过百分之十或者当天报警累计超过三次则直接发送断电指令，断电宿舍可由管理员手动恢复。
与现有技术相比，本发明实施例一种基于物联网的校园用电监控系统具有如下有益效果：
本发明实施例一种基于物联网的校园用电监控系统通过层状设计的无线网络架构以及采样控制单元之电能监测专用芯片cs5460以及主控单元的设置，实现对用电数据的精确测量，同时通过无线网络进行数据交互，可以监控楼层内任何功能分区的用电情况，具有低功耗，低成本，安装灵活，抗干扰能力强和易于维护等优点，有广阔的应用前景。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。