论文总字数：17322字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 研究意义和目的 2

1.4 论文主要内容及章节安排 3

2 系统总体方案设计 3

2.1 系统需求分析 3

2.2 系统技术方案 4

2.3 无线通信选择 5

2.4 系统主要功能设计 6

3 系统硬件设计 6

3.1 监控节点设计 6

3.1.1 电能采样电路模块设计 7

3.1.2 继电器模块设计 8

3.1.3 电源模块设计 8

3.2 无线通信模块设计 9

3.2.1 CC2530简介 9

3.2.2 通信模块设计 9

3.2.3 串口通信设计 10

4 系统软件设计 11

4.1 Zigbee无线网络设计 11

4.1.1 软件开发环境搭建 11

4.2 下位机程序设计 12

4.2.1 无线网络拓扑结构 12

4.2.2 监控节点程序设计 12

4.2.3 协调器程序设计 13

4.3 上位机软件设计 14

5 电能监控系统测试 16

6 总结与展望 17

6.1 总结 17

6.2 展望 18

参考文献 18

致谢 20

附录：相关成果 21

附录1 省级大学生创新创业训练计划项目结项证书 21

附录2 发表论文：基于物联网技术的校园用电监控系统设计 22

附录3 专利：一种基于物联网的电能远程监控装置 23

附录4 软件著作权：智能用电监控系统 24

基于物联网技术的电能远程监控系统设计与实现

张静

, China

Abstract: In order to solve the problem of electricity monitoring in the current intensive building, such as dormitory building and office building, this remote electricity monitoring system based on IOT technology is designed. The system is improved compared with the existing electricity monitoring way, this system uses the ZigBee network technology, real-time monitoring of current user data, and according to the predetermined threshold in acousto-optic alarm monitoring center. The whole system is consisted of hardware and software, which mainly includes electricity monitoring module, relay module and transmission module. The software part mainly includes wireless communication design and upper computer software design. The operation of the system is simple, easy to install, it can save human resources, improve the safety of electricity, and solve the existing electricity monitoring problem better.

Key words：electricity monitoring; ZigBee; Internet of things technology;Qt;C

1 绪论

1.1 研究背景

当代社会信息和科技快速发展，人们开始追求更好的生活质量，大功率电器如空调、冰箱、热水壶等迅速普及，线路负担不断增加，对宿舍等密集型楼宇来说电线线路负荷极易超标，由此导致的火灾屡见不鲜。根据消防部2016年分析报告来看，电气引发火灾最多，其中违规安装使用电气导致的火灾占总量的30.4%^[1]。消防部门和政府对电器火灾的治理高度重视，导致电气火灾的原因有许多，如非法企业生产的电器不合格，居民违规操作电器，线路负荷能力有限，线路老化等。为整治电器火灾，有关部门积极查封违规厂商，加强对市场上电器抽检工作，集中改造城乡地区老旧电气线路，安排学校等企业组织纠察工作，开展相关安全教育活动同时起草相关安全规定，利用媒体向群众普及相关消防知识。但是整治过程中仍存在一些问题，如一些工作部署实施监管不到位，安全隐患排查不完全，社会单位自我纠察力度不够，存在私拉电线、长期超负荷使用的情况，劣质电器生产屡禁不止等，这都影响了火灾发生概率。

除了电气火灾问题外，大量大功率电气的使用致使能源耗费不断增加，随着人口的不断增加，节约能源也成为当今一大趋势。根据2018年第一季度全国用电统计，全社会用电量增长9.8%，其中第一产业和第二产业增长量分别为10.3%和6.7%，而工业用电增长6.5%，增长最多的为第三产业和城乡居民用电，分别为16.7%和17.2%^[2]。虽然经济的发展会导致用电量增长，但我们仍要考虑电能浪费在其中的占比。据统计，办公楼与其他楼宇能耗中空调与照明用电占总能耗大部分，学校企业等大面积建筑的照明灯、大功率电器使用后不及时关闭等会造成能源严重浪费^[3]。

近年来，国外智能化的管理方式不断普及，但在国内的学校企业等密集型楼宇中，智能化的电能管理还未普及应用，其主要原因是国内这方面目前处在起步阶段，缺少较为完整稳定的系统^[4]。许多楼宇投入使用多年，重新布线实现监控的方法并不现实，而基于无线的系统设计需要考虑到大量节点的布置，许多传输方式并不适用于这种状况，稳定性也不够良好。但是在国外已开始重视这方面的需求，相关系统已开始投入使用。

综上，本文设计了一款基于物联网技术的电能远程监控系统，利用ZigBee组网容纳大量监控节点，通过无线短距离通信方式，避免重新布线的麻烦，灵活监控不同线路节点状态，做到智能管理，解决传统监管方式的不足，提高用户的节能意识和水平。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

物联网实践最早可以追溯到国外1990年的一款可通过邮件获取它的动态的可乐贩售机。物联网的概念的提及是在1995年，到了1999年其概念被提出，在2000年美国传感网被定义，随后不同的国家以不同形式提出建成一个万物联网的社会的战略^[5]。在2009年“智慧地球”这一概念被提出后，物联网技术开始被重视，物联网产业开始进入快速发展阶段。

在电力方面，物联网主要被研究应用于大型电网和家用小型开关控制，对于密集型楼宇的电能监控研究甚少。随着能源消耗的增加，自动化智能电网的研究不断展开，通过部署计量控制和通信设备，将建筑内电能消耗数据化展现^[6]。另外智能电表技术也随之发展，目前日本的智能仪表不再是单一功能，而美国杜克能源等公司也开始部署具有实时功耗和定价功能的智能电表。从2007年瑞典的城市计划智能电表安装项目启动后，欧盟开始逐步推进智能电表的安装使用，并希望在2020年达到80%以上的覆盖率^[7]。而作为最早开始研究智能电表的美国，在2018年预计会达到7400万台的安装量，周边国家也在其推动下大力支持智能电网的普及。除了大型智能电网，谷歌、IBM等公司也开发过不同的用于家用设备用电监控的系统，用户可利用相关软件及时查看各个家用电器的能耗情况，极大的避免能源的浪费，实现智能化监控的目的^[8]。

1.2.2 国内研究现状

在国内，科研机构在1999年就开始研究传感网，2006年时，我国制定了信息化发展战略^[9]。到了2009年，“感知中国”被提上议程，2013年时，政府下发物联网发展计划文件，推动物联网技术由一个概念走向实际生活。由于我国人口众多，智能化物联网设备在未来有着庞大的市场，这促进了我国相关技术的飞速发展，目前商用的物联网产品已初具规模，智能家居、物流运输等方面的产品已经投入使用，其他一些高要求的业务还在研发实验阶段。

相较于其他国家，我国电力方面的智能化监控起步晚，现有大部分研究都是用于大型电网监控的智能电表设备和家用电器监控系统，推向市场的产品主要是智能家居中的开关控制和家庭的电能监测^[10]。在密集楼宇电能监控方面少有人研究，其主要原因一方面是由于我国政府推广普及的是用于智能电网监测的电表，而非供给楼宇间的监控系统。另一方面是由于相关技术研究实施需要经过大量测试，一些数据设置需要一定的采集调整。虽然部分高校有相关研究，但是还处在测试实验阶段，没有进行推广。

1.3 研究意义和目的

本文设计的电能远程监控系统主要通过无线传输方式，将采集来的信息发送到控制中心，避免了布线的麻烦。该系统设计的目的主要是解决以下问题：

1. 传统电能监控方式无法及时了解用户当前用电状况，在监管上存在不及时的问题;
2. 在宿舍等密集型楼宇中，由于用户众多，很有可能造成线路负载长期超标，导致火灾等安全隐患；
3. 室内人员离开后，使用的大功率电器未及时关闭，管理人员难以察觉，容易造成能源浪费；
4. 由于传统电表只能显示累计用电情况，无法对每个时间段的用电状况进行统计，对合理调整节能方案有很大不便。

在现代科技社会，数字化和无线化是我们追求的目标，而传统电表需要大量人力，这需要我们开发更好的系统来解决这些问题^[11]。并且，随着资源的不断消耗，我们不但要寻找开源的方法，更要做好节流的工作。根据能源数据统计，住宅和商业建筑的用电量占能源总支出的很大一部分，我们应当致力于减少相关支出^[12]。

1.4 论文主要内容及章节安排

本文分成六个章节论述，其各部分具体内容如下：

1 绪论：主要介绍了国内外关于基于物联网技术的电能远程监控系统的研究状况，叙述了相关的研究背景。并简要说明了该课题的研究意义和目的，点明了该监控系统相较于传统监管方式的优势。

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