片RN8209,用于采集电网线路电压瞬时值、电流瞬时值、频率、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等数据；RN8209能对采集到的电网电压瞬时值进行数组缓存，通过对该数组再进行快速傅里叶变换(FFT )，即可实现对电网谐波的测量。
[0041]用电环境检测模块14包括温湿度传感器、光敏传感器、振动强度测量电路。
[0042]STM8L主控芯片15通过单总线写指令操作DHT11，直接从DHTll中读出温度、湿度。通过光敏传感器将环境光线强度转换为电压值，STM8L主控芯片15采用内部ADC模块，通过测量其电压，计算出环境光线强度。振动传感器在发生振动时，其阻值会发生变化，其变化又反映到电压上，STM8L主控芯片15采用内部ADC模块，通过测量其电压，计算出当前振动强度。STM8L主控芯片15通过I2C协议进行读指令，将RTC时钟电路13内存储的当前时间读出，并计算出当前耗电量，STM8L主控芯片15通过SPI协议进行写指令将当前时间和耗电量记录在Flash存储器16中。
[0043]用电管理终端4的无线模块7基于ZigBee通信协议，与分布管理器3无线模块7进行自动对接，构成底层近距离无线通信网络。
[0044]为了保证系统监测的实时性，本系统采用300ms统一发送间隔，也就是每隔300ms用电管理终端4通过无线模块7向分布管理器3发送一次数据，其中分布管理器3是以STM32主控芯片18为核心，由显示面板19和SD卡20、RTC时钟电路13、ZigBee无线模块、GPRS模块所组成。通过编写良好的人机交互界面，在显示面板19上可以直接实现对电网、环境、负载的实时监测和远程控制。
[0045]STM32主控芯片18通过操作内部RTC时钟电路13，可直接读出当前时间，将从各个用电管理终端4传输过来的数据，通过SDHC接口对SD卡20进行写操作指令，记录下各个用电管理终端4当前的耗电量数据。
[0046]分布管理器3并不实时将从用电管理终端4接收到的数据发送到中央管理器2上，而是当用电器出现异常或者用户进行查询时，分布管理器3才向中央管理器2发送数据。分布管理器3与分布管理器3之间可以通过GPRS网络5进行通信，也就是可以通过任意一台分布管理器3，可实现对各个用电区域进行监测。
[0047]中央管理器2主要以PC机为平台，编写上位机程序，通过数据接口外接GPRS发射接受模块实现与分布管理器2进行通信，也可以通过手机以收发短信的方式，对所用电器工作状态进行查询和控制。
[0048]传统的MESH网络只在一种无线网络上实现多跳，而本实用新型的MESH网络分为两大部分，底层ZigBee网络6和上层GPRS网络5，可以实现在两种类型的无线网络进行多跳。ZigBee网络6由各个用电管理终端4的ZigBee无线模块和分布管理器3的ZigBee无线模块的无线通信链路组成。ZigBee无线模块由含有ZigBee通信协议的微控制器和NRF无线收发模块组成。
[0049]GPRS网络5由各个分布管理器3的GPRS通信模块和中央管理器2的GPRS通信模块的无线通信链路组成。GPRS通信模块由微控制器和含有GPRS通信协议的无线收发模块组成。
[0050]服务窗口 9所包含的家用电器包括冰箱、洗衣机、电饭煲、空调和电视机等。
[0051]本实用新型采用的MESH网络主要特点如下。
[0052](I)在无线MESH网络中，各网络节点通过相邻其他网络节点，以无线多跳方式相连。
[0053](2)添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。
[0054](3)如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。
[0055]本实用新型MESH网络实现步骤如下:
[0056](I)通过一个分布管理器3管理一个小区域的用电管理终端4，在该区域内的用电管理终端4通过ZigBee无线网络6与分布管理器3进行通信。
[0057](2)各个区域的分布管理器3将在本区域的所有用电管理终端4汇总后，通过GPRS网络5发送到中央管理器2。
[0058](3)该过程是可逆的，即中央管理器2可以通过GPRS网络5先将数据传输到分布管理器3，分布管理器3在通过ZigBee无线网络6传输到用电管理终端4。
[0059]为了防止数据在MESH网络传输过程中发生冲突，采用了防冲突的设计。
[0060]由于无线模块自带载波检测功能，故在发送数据前先转入接收模式进行监听，确认要传输的频率通道未被占用才发送数据。
[0061]考虑到本系统采用了 300ms的统一发送间隔，在目标众多时有可能发生识别冲突，故引入了 ALOHA算法。
[0062]ALOHA算法主要用于有源标签，其原理就是，一旦信源发生数据包碰撞，就让信源随机延时后再次发送数据，即在每个300ms计时周期内随机发送标签ID，这就需要在程序中插入一个随机延时，延时时长的选择通过一个随机值函数来实现，随机延时范围为O?300ms ο
[0063]以上实施例为本实用新型的一个良好方案，随着本实用新型的实施和使用，根据本实用新型所作的局部变动和修改，都属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于它包括MESH型无线网络(I)、中央管理器(2)、分布管理器(3)和用电管理终端(4);所述MESH型无线网络(I)包括上层的GPRS网络(5)和底层的ZigBee无线网络(6)，中央管理器(2)与分布管理器(3)之间通过GPRS网络(6)的无线模块(7)进行通信，分布管理器(3)与用电管理终端(4)之间通过ZigBee无线网络(6)的多个无线模块(7)进行通信，ZigBee无线网络(6)的每个无线模块(7 )通过用电管理终端(4 )的信号接插器(8 )连接服务窗口( 9 )。
2.根据权利要求1所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述用电管理终端(4 )硬件包括市供电电路经电源模块(11)连接STM8L主控芯片(15)，STM8L主控芯片(15)外挂Flash存储器(16)、RTC时钟电路(13)、电压信号采集电路(17)和电流信号采集电路(10)，STM8L主控芯片(15)连接环境监测模块(14)和开关电路(12)，开关电路(12)连接供电电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述分布管理器(3 )连接ZigBee无线网络(6 )和GPRS网络(5 )，分布管理器(3 )包括市供电电路连接电源模块(11)，电源模块(11)连接STM32主控芯片(18)，STM32主控芯片(18)外挂Flash存储器(16)、RTC时钟电路(13)，STM32主控芯片(18)连接显示面板(19)和 SD 卡(20)。
4.根据权利要求1所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述中央管理器(2)连接GPRS网络(5)，中央管理器(2)经市供电电路连接电源模块(11 )，电源模块连接STM32主控芯片(18)，STM32主控芯片(18)外挂RTC时钟电路(13)，STM32主控芯片(18)连接数据导出接口(21)、无线模块(7)和串口 232总线，STM32主控芯片(18)与PC机相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述ZigBee无线网络(6)将含有ZigBee协议的无线模块(7)与分布管理器(3)和电能管理终端(4)进行连接，构成MESH网络的底层组网。
6.根据权利要求1所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述GPRS网络(5)的GPRS模块与分布管理器(3)和中央管理器(2)进行连接，构成MESH网络的上层组网。
7.根据权利要求1所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述中央管理器(2)为PC机或手机。
8.根据权利要求1所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述用电管理终端(4)连接的电路中包括了电源模块(11 )，直接将电网交流220V转换为直流5V，由线性稳压源转换为3.3V，由极性反转电源转换器转换为-5V。
9.根据权利要求1所述的一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，其特征在于所述用电管理终端(4)输出1控制信号的数据导出接口(21)连接远程控制用户电源。
【专利摘要】本实用新型公布了一种基于MESH网络对电网电能实施远程监控的管理系统，它包括MESH型无线网络、中央管理器、分布管理器和用电管理终端；MESH型无线网络包括上层的GPRS网络和底层的ZigBee无线网络，中央管理器与分布管理器之间通过GPRS网络的无线模块进行通信，分布管理器与用电管理终端之间通过ZigBee无线网络的多个无线模块进行通信，ZigBee无线网络的每个无线模块通过用电管理终端的信号接插器连接服务窗口；该方案克服了目前电能管理使用的电能监测仪，仅仅是独立个体监测，无法进行相互之间的信息交换，易造成电器使用过程中的安全隐患的缺陷，适用于对城乡大多数的家庭和企业用电进行远程实时监控。
【IPC分类】G05B19-418
【公开号】CN204576242
【申请号】CN201520327195
【发明人】张昱帆, 谢素霞, 周偲卓, 吴厚有, 彭亚平
【申请人】湖南科技大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月20日