利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建電器智能管理系統(tǒng)

羅廷金，張 軍，徐 偉

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息系統(tǒng)與管理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410073)

在提倡節(jié)約型社會(huì)、注重節(jié)能環(huán)保的今天，人們不斷追求家庭生活和公共場(chǎng)所資源管理的合理化和智能化，希望能用盡可能少的人力物力對(duì)辦公樓用水用電進(jìn)行有效管理，享受智能節(jié)能的辦公生活，于是智能家電管理系統(tǒng)[1]應(yīng)運(yùn)而生。

對(duì)于現(xiàn)有的家用電器節(jié)電管理系統(tǒng)，最常用的方法是雇傭?qū)Ｈ硕〞r(shí)巡查。對(duì)于辦公樓和居民區(qū)等大型場(chǎng)所的管理將會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，而且管理人員必須到現(xiàn)場(chǎng)才能準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)用電問題。為了準(zhǔn)確控制用電設(shè)備，設(shè)計(jì)了基于電路檢測(cè)的電氣控制系統(tǒng)。該方法能夠讓用戶了解耗電情況并可加以控制，但這種技術(shù)工藝復(fù)雜，而且針對(duì)現(xiàn)有建筑，需要重新布線，加大了改造成本?？紤]到有線監(jiān)控的局限性，基于紅外技術(shù)或藍(lán)牙技術(shù)[1]的遙控開關(guān)解決了這一問題。但藍(lán)牙通信距離僅為10 m，很難滿足大范圍統(tǒng)一控制和管理需求；紅外則只能沿直線近距離傳播，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性不好，而且擴(kuò)展性較差，限制了系統(tǒng)大范圍的應(yīng)用推廣；基于WiFi的管理系統(tǒng)成本又太高，電器管理控制指令數(shù)據(jù)量較小，造成帶寬的極大浪費(fèi)，因此不適合實(shí)際應(yīng)用需求。

ZigBee技術(shù)[1-2]是一種具有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制傳感器數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用分層管理機(jī)制，可組成具有65 536個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)；每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)還可與多達(dá)31個(gè)的傳感器直接連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控或數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)，拓展了系統(tǒng)管理范圍。功耗低、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸可靠、應(yīng)用簡(jiǎn)單和安全的特點(diǎn)使得ZigBee無線通信技術(shù)[3]成為電器管理系統(tǒng)的首要選擇。

南忠良等人[1]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于ZigBee通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)主要針對(duì)小區(qū)用戶的環(huán)境安防和門禁系統(tǒng)等應(yīng)用，缺乏對(duì)現(xiàn)有電器設(shè)備控制優(yōu)勢(shì)的有效利用，例如空調(diào)控制應(yīng)該與紅外相結(jié)合；陳智杰等[3]將MCF52235高性能微控制器與ZigBee相結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的家庭智能控制器，主要實(shí)現(xiàn)了家用水表和電表的控制和監(jiān)測(cè)，子節(jié)點(diǎn)間不進(jìn)行組網(wǎng)通信，僅局限于單一用戶的電器智能管理。本文在考慮家用電器現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，有效利用ZigBee組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了大范圍的電器自動(dòng)化管理與控制，同時(shí)結(jié)合了GSM網(wǎng)絡(luò)，為用戶的管理和控制提供方便。

本文在分析ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有的雇傭?qū)Ｈ硕〞r(shí)巡查、基于WiFi、紅外及藍(lán)牙技術(shù)等家用電器管理系統(tǒng)的缺點(diǎn)和不足，提出一種低功耗的可靠的無線解決方案。該方案通過基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信，及時(shí)反饋電器設(shè)備的狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)等信息，并根據(jù)預(yù)先定義的規(guī)則進(jìn)行電器設(shè)備管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)電、安全用電以及智能化管理目標(biāo)。

1 ZigBee

ZigBee[2]是一種短距離、低功耗、低速率和低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線通信。它依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，實(shí)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)微小傳感器之間的相互協(xié)調(diào)通信。ZigBee具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性，如圖1所示。

如表1所示，與其他無線通信技術(shù)相比，ZigBee的優(yōu)勢(shì)在于功耗低、價(jià)格便宜，適合應(yīng)用于低速率短距離的傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)中。本文所描述的大范圍電器網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用的正是ZigBee。

表1 ZigBee與其他無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

2 基于ZigBee電器智能管理系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于ZigBee的電器智能管理系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：一個(gè)控制中心用于分析處理數(shù)據(jù)和組網(wǎng)控制；一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，用于采集室內(nèi)溫度、光強(qiáng)度和CO2濃度等信息以及電器工作狀態(tài)信息；電器控制模塊，包括紅外開關(guān)節(jié)點(diǎn)、電源控制節(jié)點(diǎn)和總閘控制節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電氣設(shè)備工作狀態(tài)控制。系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖2所示。

本系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)采集室內(nèi)環(huán)境溫度、光強(qiáng)度和各個(gè)電器設(shè)備工作狀態(tài)等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳回控制中心，控制中心進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，判斷電器設(shè)備用電狀態(tài)是否合理；當(dāng)出現(xiàn)過度浪費(fèi)現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即給用戶發(fā)送提醒短信。用戶根據(jù)短信提示發(fā)送相應(yīng)操作控制命令，控制中心收到并解析用戶命令，并將命令轉(zhuǎn)發(fā)給控制節(jié)點(diǎn)，完成相應(yīng)的控制操作；完成控制任務(wù)后，控制中心將當(dāng)前電器設(shè)備工作狀態(tài)及時(shí)反饋給用戶。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)等緊急情況需要及時(shí)斷電時(shí)，用戶可以用手機(jī)遠(yuǎn)距離發(fā)送控制命令實(shí)現(xiàn)斷電，保證了人身安全，同時(shí)防止意外事故影響擴(kuò)大。

2.2 控制中心

控制中心負(fù)責(zé)用戶指令解析、數(shù)據(jù)處理和節(jié)點(diǎn)控制命令發(fā)送，由1臺(tái)PC機(jī)、GSM模塊和協(xié)調(diào)器組成，如圖3所示。PC機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存貯以及命令解析和管理軟件運(yùn)行；協(xié)調(diào)器由 1個(gè) CC2430/31芯片和USB-RJ232串口線組成，主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立、與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)綁定、完成對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和電器設(shè)備工作狀態(tài)控制，經(jīng)USB-RJ232串口送到控制中心的PC機(jī)進(jìn)行處理和顯示；GSM模塊主要負(fù)責(zé)接收用戶短信，并將用戶反饋信息上傳給PC機(jī)。

本文基于MicroSoft Visual C++6.0和GSM AT指令集開發(fā)了系統(tǒng)管理軟件，在PC機(jī)上運(yùn)行，對(duì)協(xié)調(diào)器和GSM模塊傳回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和決策，并將決策轉(zhuǎn)換為指令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電器的智能化控制。同時(shí)利用中繼接力傳輸模式，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)[5]中加入中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)接力傳遞，不僅可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑫r(shí)拓寬了中心節(jié)點(diǎn)控制范圍和無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍，拓展了系統(tǒng)管理范圍。

2.3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

2.3.1 DS18B20

DS18B20型單線智能溫度傳感器是DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，具有體積小、接口方便、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、高速暫存器。DS18B20高速暫存器共有9個(gè)存儲(chǔ)單元，其中第0號(hào)和第1號(hào)存儲(chǔ)單元分別為溫度數(shù)據(jù)的低字節(jié)和高字節(jié)。DS18B20采用單總線專用技術(shù)，既可通過串行口線，也可通過其他I/O口線與微機(jī)接口，無須經(jīng)過其他變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值；其測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，測(cè)量分辨率為 0.0625℃。

溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)高低字節(jié)存放格式如表2所示，計(jì)算方式如下：二進(jìn)制中的前5位是符號(hào)位，如果實(shí)測(cè)溫度為正，5位符號(hào)位全為0，實(shí)際溫度值=（高字節(jié)×256+低字節(jié)）×0.062 5；如果實(shí)測(cè)溫度為負(fù)，5位符號(hào)位全為 1，實(shí)際溫度值=(高字節(jié)補(bǔ)碼×256+低字節(jié)補(bǔ)碼)×0.062 5。

表2 溫度數(shù)據(jù)存放格式

2.3.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)[6]主要由溫度采集節(jié)點(diǎn)和光感采集節(jié)點(diǎn)組成，主要負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)，并通過網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)傳送回控制中心，為電器管理和環(huán)境指數(shù)監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)以ZigBee的精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)為核心，以15 min為周期對(duì)溫度和光感等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要由 CC2430節(jié)點(diǎn)、DS18B20、LM393及光敏電阻組成。為了實(shí)現(xiàn)光亮度監(jiān)測(cè)，通過調(diào)節(jié)變阻器阻值，設(shè)定光亮度閾值，通過LM393比較器與閾值比較，判斷環(huán)境光亮信息。

2.4 電源控制節(jié)點(diǎn)

2.4.1 TLP521-1光耦合器

TLP521-1光電耦合元件OC（Optical Coupler）是以光作為媒體來傳輸電信號(hào)的一組裝置，其功能是平時(shí)維持電信號(hào)輸入、輸出間有良好的隔離作用，需要時(shí)可以使電信號(hào)通過隔離層的傳送方式。通過光電耦合元件將輸入與輸出隔離，將高壓交流電降壓到低壓交流電輸出。

2.4.2 DB107S整流

DB107S整流器是一種將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的裝置或元件。DB107S整流器為將AC轉(zhuǎn)換為DC的一組二極管的總稱。整流一般分為全橋整流和半橋整流，對(duì)應(yīng)輸出為全波整流和半波整流。選擇整流橋要考慮整流電路和工作電壓以及電阻發(fā)熱能量和散熱。DB107S整流器屬于全橋整流，輸出波形如圖4所示。

2.4.3 固態(tài)繼電器

固態(tài)繼電器是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)器件，它利用電子元件的開關(guān)特性，可以無觸點(diǎn)無火花地接通和斷開電路。固態(tài)繼電器是四引腳器件，引腳示意如圖5所示，圖中引腳5和引腳6為直流電輸入端，引腳3和引腳4為交流電輸出端。中間采用隔離器件實(shí)現(xiàn)輸入輸出的電隔離，從而實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)對(duì)強(qiáng)電(輸出端負(fù)載電壓)的控制。

2.4.4 電源控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

電源控制節(jié)點(diǎn)的功能是實(shí)現(xiàn)針對(duì)像空調(diào)等大功率用電器工作狀態(tài)檢測(cè)和遠(yuǎn)程控制。電源控制節(jié)點(diǎn)主要由CC2430芯片、DB107S整流橋、TLP521-1GB和固態(tài)繼電器組成。

CC2430的引腳只能接收數(shù)字信號(hào)[4]，而家用電器用電都是220 V交流電，所以需要將交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流數(shù)字信號(hào)。通常交流電轉(zhuǎn)換為直流電的流程為：變壓→整流→濾波→不穩(wěn)定的直流→穩(wěn)壓→穩(wěn)定的直流電。采用DB107S整流橋?qū)?20 V交流電變壓為低壓交流電，然后經(jīng)過TLP521-1GB的光耦整流將低壓交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)過RC電路濾波和分壓電路得到CC2430能夠接受的3 V直流電輸入數(shù)字信號(hào)，為CC2430提供電源的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電器工作狀態(tài)檢測(cè)。

CC2430的引腳最大驅(qū)動(dòng)電流只有20 mA，為了實(shí)現(xiàn)控制像空調(diào)這樣大電流設(shè)備，在CC2430與開關(guān)之間加入一個(gè)固態(tài)繼電器元件，通過CC2430引腳控制固態(tài)繼電器工作，從而控制大功率用電器電源的通斷。

2.5 紅外遙控節(jié)點(diǎn)

針對(duì)現(xiàn)在辦公室和家庭紅外遙控用電器愈來愈多的情形，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于CC2430的無線紅外遙控器。在不改變?cè)锌刂菩盘?hào)的情況下，通過紅外遙控器自我學(xué)習(xí)，方便快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)、電視機(jī)的工作狀態(tài)遠(yuǎn)程控制。

如圖6所示，紅外開關(guān)節(jié)點(diǎn)主要由1838一體化紅外線接收器、LC7461紅外發(fā)射頭和CC2430芯片組成。為方便用戶使用，設(shè)計(jì)了按鍵支持用戶更改控制功能。有按鍵操作時(shí)，1838一體化紅外線接收器對(duì)用戶自定義控制進(jìn)行紅外信號(hào)采集和存儲(chǔ)。當(dāng)有鍵被按下或是接收到相應(yīng)的控制命令時(shí)，紅外發(fā)射器將對(duì)應(yīng)的指令進(jìn)行編碼調(diào)制，并通過二極管發(fā)射出去，從而完成空調(diào)等設(shè)備的控制。

2.6 總閘控制節(jié)點(diǎn)

2.6.1 MX+OF分勵(lì)脫扣器

MX+OF分勵(lì)脫扣器有4個(gè)接線端子，在接線時(shí)應(yīng)將端子C1、C2接工作電壓，C1通過外部控制觸點(diǎn)接交流電源的N線 （或直流電源的負(fù)極），C2接交流電源的相線 （或直流電源的正極）；有源觸點(diǎn)C2-12、C2和14分別在斷路器“斷開”和“閉合”時(shí)接通。MX＋OF動(dòng)作要消耗一定大小的能量，要求輸入12 V直流電，斷電動(dòng)作才能進(jìn)行。

2.6.2 總閘控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

如圖7所示，總閘控制節(jié)點(diǎn)主要包含MX+OF分勵(lì)脫扣器、交直流轉(zhuǎn)換模塊和CC2430芯片構(gòu)成?？傞l控制節(jié)點(diǎn)先通過交直流轉(zhuǎn)換模塊將220 V電壓轉(zhuǎn)換為12 V直流電，為MX+OF分勵(lì)脫扣器斷電提供能量，并經(jīng)過簡(jiǎn)單分壓電路后為CC2430處理器供電；同時(shí)接收控制中心發(fā)送的控制命令?？傞l控制節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)當(dāng)發(fā)生火災(zāi)等事故，需要應(yīng)急斷電以避免事故擴(kuò)大和保證人員安全時(shí)，用戶可以通過發(fā)送一條短信控制命令就可以完成應(yīng)急斷電任務(wù)，避免工作人員接觸造成不必要傷亡。

通過對(duì)電器智能管理系統(tǒng)的測(cè)試，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)變化情況，并準(zhǔn)確判斷電器工作狀態(tài)，在沒有用戶介入的情況下對(duì)電器進(jìn)行自動(dòng)控制，并可將緊急狀態(tài)及時(shí)發(fā)給用戶，根據(jù)用戶返回指令完成相應(yīng)控制或是自動(dòng)斷開總閘。此外，針對(duì)大范圍的電器智能化管理，提出了一種基于CC2430和MSP430的雙CPU架構(gòu)拓展模式，即由CC2430負(fù)責(zé)通信處理，由MSP430負(fù)責(zé)接口管理，無線通信和接口控制獨(dú)立并行，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，使系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用前景。

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