采用ZigBee技術(shù)與CC2430設(shè)計(jì)的需求響應(yīng)系統(tǒng)

1 引言

需求響應(yīng)技術(shù)通過電力用戶接收電力企業(yè)發(fā)布的用電信息，及時(shí)響應(yīng)用電負(fù)荷變化的措施，以達(dá)到削峰填谷，減少負(fù)荷波動(dòng)的目的。需求響應(yīng)的實(shí)施可以帶來很大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，我國的一些地區(qū)也已經(jīng)實(shí)行了基于峰谷電價(jià)的需求響應(yīng)措施，并取得了一定的效果。但是傳統(tǒng)的需求響應(yīng)系統(tǒng)缺乏自動(dòng)化響應(yīng)措施，不能滿足實(shí)時(shí)雙向通信的要求，缺乏與用戶側(cè)的互動(dòng)。

電子式電能表由于其優(yōu)越的性能及易于與通信模塊集成，逐步取代了機(jī)械式電能表。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，深入千家萬戶的電能表作為通信節(jié)點(diǎn)傳遞信息，并組成網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。按通信信道來劃分，電能表的通信主要分為有線及無線方式。有線通信主要包括485 總線及電力載波技術(shù)。無線主要包括公網(wǎng)通信及射頻通信。485 總線布線及維護(hù)困難，電力載波技術(shù)抗干擾性能差，公網(wǎng)通信需支付一定的使用費(fèi)用，構(gòu)建專有無線通信網(wǎng)絡(luò)是一種新發(fā)展方向。

ZigBee 技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，非常適合構(gòu)建以電能表為節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)。本文提出了一種基于ZigBee 技術(shù)的需求響應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)架，并對系統(tǒng)做出了設(shè)計(jì)。

2 需求響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案

與自動(dòng)抄表系統(tǒng)不同，需求響應(yīng)系統(tǒng)的目的不是采集用戶的用電信息傳送到電力公司，而是把電網(wǎng)及用戶用電的實(shí)時(shí)信息傳遞到用戶側(cè)并做出響應(yīng)。如圖1 所示，智能電網(wǎng)AMI 中心通過GPRS 或因特網(wǎng)等通信方式把實(shí)時(shí)的電網(wǎng)信息傳送到用戶小區(qū)。用戶小區(qū)中設(shè)置的區(qū)域集中器接收并存儲(chǔ)信息，并作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，把電網(wǎng)及實(shí)時(shí)電價(jià)信息傳送到作為路由器的智能電表節(jié)點(diǎn)端。需求響應(yīng)終端通過與智能電表建立連接，獲取用戶用電信息及由協(xié)調(diào)器發(fā)布的實(shí)時(shí)電網(wǎng)、電價(jià)信息，再根據(jù)用戶編制的控制程序，控制用戶的負(fù)荷裝置。需求響應(yīng)終端以節(jié)點(diǎn)的方式加入，除接收實(shí)時(shí)電價(jià)等公共信息外，只與其父節(jié)點(diǎn)即每戶相應(yīng)智能電表交換信息，保證了用戶信息的安全性。

圖1 需求響應(yīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 ZigBee 通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

需求響應(yīng)系統(tǒng)的通信節(jié)點(diǎn)采用TI 的SOC 芯片CC2430.CC2430 內(nèi)部集成了業(yè)界領(lǐng)先的CC2420 射頻模塊、一個(gè)增強(qiáng)的工業(yè)級8051 內(nèi)核、32/64/128 KBFLASH、8KB RAM 以及其它的功能電路，外接很少的電路就可以構(gòu)建一個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)[3].系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況的不同，通過軟件配置為協(xié)調(diào)器、與電能表連接的路由器及需求響應(yīng)終端。

2.2.2 ZigBee 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器接收來自電網(wǎng)中心的消息，并把電網(wǎng)中心的信息傳送到用戶端。電網(wǎng)的消息通過GPRS、以太網(wǎng)等方式傳送到用戶小區(qū)，協(xié)調(diào)器接收經(jīng)網(wǎng)關(guān)處理后的GPRS、以太網(wǎng)信息，并轉(zhuǎn)化為ZigBee 信息再傳送出去。當(dāng)電網(wǎng)信息采用以太網(wǎng)傳輸時(shí)，可以通過PC機(jī)作為網(wǎng)關(guān)，PC 機(jī)接受并處理來自AMI 中心的信息后，通過串口與ZigBee 節(jié)點(diǎn)相接。協(xié)調(diào)器只需在ZigBee 節(jié)點(diǎn)外接RS-232 電平轉(zhuǎn)化器即可。圖2 為協(xié)調(diào)器與PC 機(jī)接口。

圖2 協(xié)調(diào)器與PC 機(jī)接口。

2.2.3 Zigbee 節(jié)點(diǎn)與智能電表接口設(shè)計(jì)

我國的智能電能表采用RS-485 標(biāo)準(zhǔn)串行電氣接口并遵循DLT645 規(guī)約[4]進(jìn)行通信。Zigbee 節(jié)點(diǎn)采用RS-485 接口與電能表相接，便可以獲得電能表內(nèi)的數(shù)據(jù)。Zigbee 節(jié)點(diǎn)與智能電能表的接口如圖3 所示。

CC2430 引腳RXD、TXD、RE/DE 分別為接收、發(fā)送與狀態(tài)轉(zhuǎn)換端。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定及抗干擾性，分別通過光耦隔離傳送至由3.3V電平供電的485 電平轉(zhuǎn)換芯片SP3485,經(jīng)轉(zhuǎn)化為485 電平后，經(jīng)由端子#A、#B與智能電表的485 通道相接。R6、R7 分別為上拉及下拉電阻，目的是為了保證在無連接時(shí)，輸入電平狀態(tài)為空閑狀態(tài)。連接于智能電表上的ZigBee 節(jié)點(diǎn)可以使用電能表上的電源供電，并作為路由器加入由協(xié)調(diào)器建立的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。

圖3 ZigBee 節(jié)點(diǎn)與智能電能表接口。

2.2.4 需求響應(yīng)終端設(shè)計(jì)

需求響應(yīng)終端與用戶進(jìn)行交互，顯示電網(wǎng)信息及用戶用電信息，并對用戶的用電設(shè)備進(jìn)行控制。需求響應(yīng)終端作為ZigBee 節(jié)點(diǎn)中的終端節(jié)點(diǎn)，采用電池供電，可以方便設(shè)備的移動(dòng)。響應(yīng)終端主要有液晶顯示、按鍵及外接控制端口3 個(gè)部分。

液晶模塊采用RT 公司生產(chǎn)的12232f,是一種內(nèi)置8192 個(gè)16*16 點(diǎn)陣漢字庫和128 個(gè)16*8 點(diǎn)ASCII字符集的圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，可以顯示7.5×2 個(gè)（16×16 點(diǎn)陣）漢字，與外部CPU 接口采用并行或串行方式控制。模塊的供電電源電平根據(jù)用戶要求有3V/5V 的型號(hào)，本設(shè)計(jì)中選用3V 供電的模塊，以與CC2430電平匹配。本設(shè)計(jì)中CC2430 采用串行方式與12232f相連以節(jié)省CC2430 的IO 端口。CC2430 與液晶模塊的接口如圖4 所示。其中LCD_CS、LCD_SID、LCD_CLK 分別為液晶選中、數(shù)據(jù)傳輸、時(shí)鐘信號(hào)引腳。LCD_CON 控制液晶背光的開啟與關(guān)閉。

4 個(gè)按鍵分別與4 個(gè)IO 端口相接，可以實(shí)現(xiàn)確定、退出、上翻、下翻的功能。

外接控制端口通過繼電器來控制外部用電設(shè)備的通斷，達(dá)到負(fù)荷控制的目的。如圖5 所示，CC2430通過CONTROL 引腳輸出高低電平信號(hào)便可以控制負(fù)荷控制端子的通斷。其中P1 為續(xù)流二極管，并聯(lián)于繼電器兩端，作用是當(dāng)觸點(diǎn)斷開時(shí)，提供反電勢釋放回路，防止二次擊穿。

圖4 液晶與CC2430 接口。

圖5 外接控制端口電路。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Z-Stack 是TI 公司發(fā)布的免費(fèi)的并經(jīng)ZigBee 聯(lián)盟授權(quán)的協(xié)議棧。Z-Stack 主要分為以下幾個(gè)部分：應(yīng)用層、硬件層、MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層、操作系統(tǒng)層、安全層，服務(wù)層，ZDO 層。在需求響應(yīng)系統(tǒng)中有3 種類型的設(shè)備，分別是協(xié)調(diào)器、與智能電表連接的路由器以及需求響應(yīng)終端。在設(shè)計(jì)中，只需針對硬件層做出相應(yīng)的修改，并定義相應(yīng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)類型，然后構(gòu)建基于不同設(shè)備的應(yīng)用層程序即可。TI Z-Stack 嵌入了一個(gè)基于任務(wù)輪轉(zhuǎn)查詢的操作系統(tǒng)[5].上電后，系統(tǒng)在進(jìn)行一些初始化工作后，便由操作系統(tǒng)來處理協(xié)議棧各層的任務(wù)。當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，先處理優(yōu)先級高的層的事件，再處理優(yōu)先級低的事件。當(dāng)處理完當(dāng)前優(yōu)先級最高的事件后，系統(tǒng)重新開始輪詢。需求響應(yīng)系統(tǒng)中操作系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的任務(wù)處理的流程如圖6 所示。

圖6 任務(wù)處理流程。

由于各個(gè)ZigBee 設(shè)備具有一定的通用性，在協(xié)議棧中，MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層、硬件層、監(jiān)控層、應(yīng)用幀層、設(shè)備事件層都可以通用。下文中對各個(gè)設(shè)備的具體描述，只是詳細(xì)介紹設(shè)備的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)。

2.3.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器在電源接通后，開始建立網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器接收到的電網(wǎng)中心信息經(jīng)處理后，按一定的周期發(fā)送至電網(wǎng)消息群組。電網(wǎng)消息群組為接收電網(wǎng)及實(shí)時(shí)電價(jià)信息的群組。協(xié)調(diào)器軟件流程如圖7 所示。

圖7 協(xié)調(diào)器軟件流程圖。

2.3.2 與電表連接ZigBee 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器啟動(dòng)并建立網(wǎng)絡(luò)后，與電能表相連的ZigBee 節(jié)點(diǎn)以路由器的形式加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)用戶希望接收到電網(wǎng)信息時(shí)，選擇加入電網(wǎng)消息接收群組，并把接收到的電網(wǎng)消息存儲(chǔ)在本節(jié)點(diǎn)中或備份于智能電表中。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到需求響應(yīng)終端對智能電能表內(nèi)部數(shù)據(jù)請求的消息后，本節(jié)點(diǎn)通過RS-485 接口讀取智能電能表內(nèi)部的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)請求幀采用滿足DL645-2007 協(xié)議的幀格式，得到電表響應(yīng)數(shù)據(jù)后，把相應(yīng)接收數(shù)據(jù)發(fā)送給作為終端節(jié)點(diǎn)的需求響應(yīng)終端。本路由器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖8 所示。

圖8 路由器軟件流程圖。

2.3.3 需求響應(yīng)終端軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)需求響應(yīng)終端的應(yīng)用要求，需要獲取并顯示電價(jià)信息、網(wǎng)絡(luò)信息、當(dāng)前用電信息、歷史用電信息、電網(wǎng)消息等，并針對用戶提出的控制方案對家庭用電設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制。為了與用戶實(shí)現(xiàn)更好的交互，需求響應(yīng)終端使用菜單界面。菜單分為3 級，配合終端的4 個(gè)按鍵，可實(shí)現(xiàn)菜單的上翻、下翻、進(jìn)入、退出及參數(shù)設(shè)置功能。本設(shè)計(jì)定義了菜單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

Typedef Struct Menu

{

void *DataAddr; //菜單數(shù)據(jù)地址指針

unsigned char FatherMenuNumber; //父菜單索引值

unsigned char ChildMenuNumber; //子菜單索引值

unsigned char LastBrotherMenuNumber; //兄菜單索引值

unsigned char NextBrotherMenuNumber; //弟菜單索引值

void （*UpFun） （ ）； //按"上"鍵處理程序指針

void （*DowmFun） （ ）； //按"下"鍵處理程序指針

void （*OkFun） （ ）； //按"確定"鍵處理程序指針

void （*ExitFun） （ ）； //按"退出"鍵處理程序指針

} SystemMenu;

通過在程序中構(gòu)建相應(yīng)的菜單表，菜單項(xiàng)中父子兄弟4 個(gè)索引值構(gòu)造了一個(gè)樹狀的菜單結(jié)構(gòu)。在菜單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中還包含有指向當(dāng)前菜單相應(yīng)執(zhí)行程序的指針，可以方便可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)易維護(hù)、易擴(kuò)展的菜單。

由于程序中設(shè)定的索引值數(shù)據(jù)類型為無符號(hào)字符型，因此菜單最大項(xiàng)只能達(dá)到256 項(xiàng)。當(dāng)系統(tǒng)的菜單項(xiàng)大于此值時(shí)，可以用整型數(shù)據(jù)替代。

為了減少網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)荷量，智能電表終端不主動(dòng)發(fā)送更新數(shù)據(jù)信息至需求響應(yīng)終端。只有在用戶需要獲取某數(shù)據(jù)信息時(shí)，需求響應(yīng)終端才主動(dòng)向智能電表端請求數(shù)據(jù)。當(dāng)需求響應(yīng)終端采用源綁定的方式獲取智能電表的信息時(shí)，由于每條信息均通過協(xié)調(diào)器間接尋址并由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)信息，會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器處理信息的負(fù)擔(dān)。

本設(shè)計(jì)中采用直接尋址的本地綁定的方式來實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與電能表節(jié)點(diǎn)的通信。終端節(jié)點(diǎn)通信流程圖如圖9 所示。

圖9 終端節(jié)點(diǎn)通信流程圖。

當(dāng)需求響應(yīng)終端加入網(wǎng)絡(luò)后，根據(jù)是否已知匹配的智能電表節(jié)點(diǎn)MAC 地址，分為2 種綁定方式。如果已知MAC 地址， 需求響應(yīng)終端發(fā)送請求NWK_addr_req 請求原語來獲取網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)MAC地址器件的網(wǎng)絡(luò)地址。需求響應(yīng)終端在收到NWK_addr_rsp回應(yīng)信息時(shí)，便是找到了目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址。MAC 地址未知時(shí)，需求響應(yīng)終端則發(fā)送Match_Desc_req 請求原語來獲取網(wǎng)絡(luò)中輸入、輸出簇匹配設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在多于一個(gè)的簇匹配的設(shè)備時(shí)，用戶可以通過設(shè)置設(shè)備描述信息匹配，篩選出目標(biāo)設(shè)備地址。

當(dāng)獲取目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址并存儲(chǔ)后，需求響應(yīng)終端設(shè)備通過調(diào)用應(yīng)用層數(shù)據(jù)請求指令便可獲取用戶智能電表節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。為了確保需求響應(yīng)終端的正確尋址，智能電表節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)生改變時(shí)，通知對應(yīng)的需求響應(yīng)終端，需求響應(yīng)終端重啟綁定流程。

3 結(jié)論

經(jīng)過測試，本論文所設(shè)計(jì)的基于ZigBee 的需求響應(yīng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、實(shí)時(shí)的雙向通信。需求響應(yīng)終端能顯示實(shí)時(shí)電價(jià)及用電信息，提醒用戶節(jié)電，達(dá)到削峰平谷的目的；并能通過外接控制端子，根據(jù)用戶的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對用戶電器的供電的自動(dòng)控制。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)與用戶側(cè)的交互，在智能建筑的建設(shè)中，可基于本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電力需求側(cè)能源管理，并能與智能家居系統(tǒng)結(jié)合，讓用戶在享受舒適便利的家庭智能化的同時(shí)還能節(jié)省能耗開支。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)及節(jié)能減排的實(shí)施，此系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。