基于Android和ZigBee技術(shù)的智能家居安全用電系統(tǒng)

【摘 要】設(shè)計(jì)一套基于Android和ZigBee技術(shù)的家庭智能安全用電系統(tǒng)，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型與工作原理，就系統(tǒng)的軟硬件特點(diǎn)給出了整套系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案；通過(guò)開(kāi)發(fā)的實(shí)例，驗(yàn)證該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，操作簡(jiǎn)單快捷，可靠性高，能有效消除家居用電中的安全隱患，保證家庭用電的安全。

【關(guān)鍵詞】Android ZigBee 安全用電 信息采集

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】0450-9889（2015）03C-0188-03

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們生活水平的提高，人們使用的家庭電器越來(lái)越多，電器的智能化也逐漸成為社會(huì)研究的熱點(diǎn)和人們追捧的對(duì)象。隨著家庭電器的增多，總功率增大，人們對(duì)家庭用電安全要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的用電插座僅僅具備擴(kuò)充多路電源的功能，沒(méi)有報(bào)警、限功率、限電流等功能， 安全防護(hù)功能差。近來(lái)發(fā)展的智能家居深受廣大用戶歡迎。前人對(duì)智能家居的研究主要集中在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)方面，缺少系統(tǒng)用電安全方面的考慮。用電器超負(fù)荷工作、用電器工作電壓不穩(wěn)定等都會(huì)導(dǎo)致家庭電路出問(wèn)題，甚至?xí)鸹馂?zāi)，所以家庭用電安全是智能家居時(shí)代必須考慮的問(wèn)題。

無(wú)線技術(shù)有ZigBee、藍(lán)牙、WIFI等技術(shù)。相比之下，Zigbee與常用無(wú)線技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：ZigBee聯(lián)盟擴(kuò)展了IEEE，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，ZigBee是一種新興的近程、低速率、低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠組成更復(fù)雜的網(wǎng)狀網(wǎng)，具有更高的安全性，具有更高的可靠性。Android系統(tǒng)是目前智能手機(jī)使用最多的開(kāi)源式系統(tǒng)，深受廣大手機(jī)用戶青睞，Android平臺(tái)很適合用來(lái)開(kāi)發(fā)手機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程控制。

為此，本文設(shè)計(jì)了一套基于Android和Zigbee技術(shù)的家庭智能安全用電系統(tǒng)。使用ZigBee技術(shù)組建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，使用Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程客戶端，通過(guò)Internet、3G、4G等網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)的功能。該系統(tǒng)成本低，操作靈活，具有良好的人機(jī)交互界面和遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能，有效消除家居用電中的安全隱患，提高了家庭用電的安全。

一、系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在構(gòu)建以ZigBee為核心的家庭智能內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)，以Android智能操作系統(tǒng)為平臺(tái)的智能終端，通過(guò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭用電器的用電信息，對(duì)異常電路及時(shí)采取控制措施，保障家庭用電安全。系統(tǒng)在每個(gè)智能插座上安裝ZigBee模塊、傳感器、繼電器，每個(gè)ZigBee模塊負(fù)責(zé)收集該智能插座的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對(duì)各個(gè) ZigBee模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、匯總、整合后，把數(shù)據(jù)上傳到家庭服務(wù)器，用戶通過(guò)基于Android的遠(yuǎn)程終端經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)登錄家庭網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家庭用電信息并控制插座的斷開(kāi)與閉合。

傳統(tǒng)的電源插座功能僅僅是分配多路電源和與插入式元器件（如插頭、電子管、繼電器等）相配接的連接器。而基于ZigBee技術(shù)的安全插座除具備這些基本特征，還具有以下智能化的特點(diǎn)：

遠(yuǎn)程控制：插座能通過(guò)接收遠(yuǎn)程終端發(fā)送的命令，來(lái)控制電路的開(kāi)合，從而達(dá)到控制用電器的目的。

監(jiān)測(cè)用電：插座分別利用電流互感器和電壓互感器采集流入電器的電流和兩端的電壓值，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的功率值。用戶可以分析用電器的負(fù)荷情況、運(yùn)行功率、待機(jī)功耗等，為用電提供參考。

異常保護(hù)：當(dāng)電路中出現(xiàn)異常情況，如：過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、短路，通路將立即斷開(kāi)，并向遠(yuǎn)程終端發(fā)送報(bào)警信號(hào)，達(dá)到保護(hù)電路和用電器的目的。

二、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

由圖1中可以看出，家庭智能安全用電系統(tǒng)是由服務(wù)器、協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)、手機(jī)終端、安全插座單元五大部分構(gòu)成。

服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息輸入、數(shù)據(jù)分析、信息輸出、集中控制等功能。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。在協(xié)調(diào)器與服務(wù)器之間使用RS232串口通信實(shí)現(xiàn)連接。

協(xié)調(diào)器是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)串口向服務(wù)器發(fā)送終端設(shè)備上傳來(lái)的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)將服務(wù)器傳達(dá)的命令發(fā)送到指定的終端設(shè)備。

終端節(jié)點(diǎn)是由ZigBee模塊和插座組成，ZigBee模塊是嵌入到插座中的，用于接收來(lái)自協(xié)調(diào)器的調(diào)控指令，根據(jù)指令做出相應(yīng)的調(diào)控策略。

手機(jī)終端是系統(tǒng)的控制中心，用戶通過(guò)相應(yīng)操作可以實(shí)現(xiàn)插座開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程控制。

安全插座單元是系統(tǒng)的受控元件，手機(jī)可以隨時(shí)隨地對(duì)插座進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

三、以ZigBee為核心的傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)

以ZigBee為核心的內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)包括整個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的組建與實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)由ZigBee模塊、安全插座、繼電器、傳感器、協(xié)調(diào)器等組成。其中ZigBee模塊、繼電器、傳感器都是嵌在安全插座中的。用電器工作時(shí)，嵌在插座上的傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)通過(guò)插座的電流、電壓、功率等，并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、匯總、整合。最后，將數(shù)據(jù)傳到家庭服務(wù)器上。ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)具有布線少、安裝簡(jiǎn)易、能耗低、擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，易于在家庭中廣泛使用。

（二）ZigBee模塊

此系統(tǒng)中的ZigBee模塊中集成了德州儀器TI公司第二代的片上系統(tǒng)（SoC）芯片CC2530。CC2530是用于2.4GHz、IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，集成了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 MCU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存8KB RAM 和許多其它強(qiáng)大的功能。CC2530 具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器（Coordinator），路由器（Router）和終端設(shè)備（End-Device）。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)，它是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。路由器允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。終端節(jié)點(diǎn)沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個(gè)電池供電設(shè)備。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由器（也可以沒(méi)有）和多個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)（也可以沒(méi)有）組成。協(xié)調(diào)器是IEEE 802.15.4 定義的全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD），負(fù)責(zé)配置啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為終端設(shè)備，即精簡(jiǎn)功能設(shè)備（Reduced Function Device，RFD），可以睡眠或者喚醒，接收協(xié)調(diào)器發(fā)出的指令信息并做出相應(yīng)反饋，或者收集數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

（三）協(xié)調(diào)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的程序主要包括協(xié)調(diào)建立網(wǎng)絡(luò)、檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、發(fā)送維護(hù)信號(hào)、發(fā)送采集命令等。協(xié)調(diào)器是內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)串口向服務(wù)器發(fā)送終端設(shè)備上傳來(lái)的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)將服務(wù)器傳達(dá)的命令發(fā)送到指定的終端設(shè)備，為偵聽(tīng)串口并接收中斷，在協(xié)調(diào)器硬件平臺(tái)上擴(kuò)展了RS232 串口。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（四）ZigBee安全插座的設(shè)計(jì)

ZigBee安全插座主要有以下功能：采集所在電路的電壓，電流數(shù)據(jù)，并計(jì)算出電路實(shí)時(shí)功率；插座中有繼電器模塊，能控制電路的通斷。

電路中的電壓、電流強(qiáng)電信號(hào)首先經(jīng)過(guò)錳銅片、分壓電阻等轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)，再使用專用的計(jì)量芯片，如ATT7022B，其內(nèi)部具有A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算電路，可以自動(dòng)完成電壓電流有效值、功率等計(jì)算，生成的數(shù)據(jù)由MCU抄取后處理，再將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee模塊發(fā)送給服務(wù)器，同時(shí)微處理器還可以通過(guò)繼電器控制電器回路的通斷。

利用專用的電能計(jì)量芯片不僅有效地克服了干擾，也降低了對(duì)CPU的要求，同時(shí)所需硬件也大大減少，降低了硬件的成本。所以該設(shè)計(jì)選用專用電量計(jì)量芯片ATT7022B對(duì)用戶用電量進(jìn)行計(jì)量；對(duì)于主控部分選用常用的8位單片機(jī)就能滿足要求。

（五）ZigBee的程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)是在 ZigBee 協(xié)議棧（ Z-stack）上進(jìn)行應(yīng)用層設(shè)計(jì)。對(duì)于開(kāi)發(fā)應(yīng)用，主要在應(yīng)用層（APL）加入相應(yīng)的應(yīng)用程序。TI 公司的 ZigBee 協(xié)議棧自帶有操作系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的需要添加任務(wù)并依靠操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。由于系統(tǒng)采用的是樹(shù)形結(jié)構(gòu)，所以ZigBee協(xié)調(diào)器必須知道每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，這就需要每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)后，都要把網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址后，便可建立地址表并存儲(chǔ)起來(lái)，以便用戶要求采集數(shù)據(jù)時(shí)，依據(jù)地址表來(lái)采集每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。

軟件工作流程說(shuō)明：

開(kāi)啟電源后，協(xié)調(diào)器啟動(dòng)，其主程序啟動(dòng)。

通過(guò)halBoardInit（ ）函數(shù)初始化外圍設(shè)備，系統(tǒng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)建立過(guò)程。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立完成之后，協(xié)調(diào)器進(jìn)入循環(huán)工作狀態(tài)：如果偵聽(tīng)到有無(wú)線電數(shù)據(jù)，就進(jìn)入無(wú)線電接收數(shù)據(jù)過(guò)程，接收完數(shù)據(jù)以后，還要將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器；如果沒(méi)有偵聽(tīng)到無(wú)線電數(shù)據(jù)，則去偵聽(tīng)串口的控制命令，如果協(xié)調(diào)器偵聽(tīng)到串口信號(hào)，協(xié)調(diào)器隨即開(kāi)始解析命令，并向下傳達(dá)。

當(dāng)這個(gè)過(guò)程完成時(shí)，系統(tǒng)回到偵聽(tīng)是否有無(wú)線電數(shù)據(jù)的判斷過(guò)程，系統(tǒng)進(jìn)入再一次循環(huán)。

終端節(jié)點(diǎn)上電后，掃描所有可用信道來(lái)尋找臨近協(xié)調(diào)器，申請(qǐng)加入此網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)使用電池供電，因此要保證終端節(jié)點(diǎn)的低功耗，設(shè)計(jì)中采用定時(shí)喚醒的方式連接協(xié)調(diào)器，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其它時(shí)間則進(jìn)入休眠模式，以達(dá)到終端節(jié)點(diǎn)的功耗最低。

四、Android智能終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）Android平臺(tái)

Android是基于Linux的自由并開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)，具有開(kāi)發(fā)和免費(fèi)的優(yōu)勢(shì)，是強(qiáng)大靈活的智能終端平臺(tái)，主要應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備上，如智能手機(jī)，平板電腦。據(jù)IDC（Internet Data Center）的最新數(shù)據(jù)顯示，Android已成為最受歡迎的智能手機(jī)平臺(tái)。該平臺(tái)由4 部分組成，分別為操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面及應(yīng)用軟件。相比于其他移動(dòng)設(shè)備使用的操作系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)也相當(dāng)明顯。

（二）終端功能設(shè)計(jì)

終端設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本軟件的功能設(shè)計(jì)是使用戶能方便、快捷、隨時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程終端訪問(wèn)家庭用電器的使用情況，必要時(shí)可以遠(yuǎn)程控制插座的開(kāi)閉，以保證家庭用電的安全。本軟件具有三大功能：遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控、安全防護(hù)。

遠(yuǎn)程控制：只要手機(jī)處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，用戶可以隨時(shí)隨地控制插座的開(kāi)與閉。如用戶在下班回家前，可以通過(guò)遠(yuǎn)程打開(kāi)飲水機(jī)，用戶到家就可以喝熱開(kāi)水了。

實(shí)時(shí)監(jiān)控：用戶可以隨時(shí)隨地查看家庭用電器的當(dāng)前使用狀態(tài)，包括通過(guò)插座的電壓、電流、功率等的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以了解家庭電器的使用情況。

安全防護(hù)：當(dāng)插座出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、短路等異常狀況時(shí)，該終端會(huì)接收到安全插座發(fā)來(lái)的警報(bào)，提醒用戶及時(shí)采取措施，消除安全隱患。

（三）終端工作流程

啟動(dòng)智能終端，終端提示需要輸入訪問(wèn)的IP地址。

用戶登錄。如果用戶沒(méi)有注冊(cè)，可以進(jìn)行注冊(cè)，然后再登錄。

主控界面。用戶登錄成功后，會(huì)自動(dòng)跳到主控界面中。在主控界面中，用戶可以查看各插座的使用情況，包括電流、電壓、功率等。按鈕處于灰色狀態(tài)，說(shuō)明該插座是斷開(kāi)的，連在該插座上的用電器處于閑置狀態(tài)；按鈕處于綠色狀態(tài)，說(shuō)明該插座是閉合的，連在該插座上的用電器處于正常工作狀態(tài)，該電路是安全的；按鈕處于紅色狀態(tài)，說(shuō)明該插座出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、短路等狀況，電路處于不安全、不穩(wěn)定狀態(tài)，需要及時(shí)斷開(kāi)該插座。

用戶中心。處在主界面的下方，超級(jí)用戶可以進(jìn)行增加用戶、修改用戶、刪除用戶等操作。普通用戶可以執(zhí)行修改密碼操作。

信息提示。處在主界面的下方，信息提示主要是接收來(lái)自協(xié)調(diào)器發(fā)送過(guò)來(lái)的報(bào)警信息。信息內(nèi)容包括出現(xiàn)報(bào)警的插座名、報(bào)警的時(shí)間、報(bào)警原因等。

五、測(cè)試方法

在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程中，按照循序漸進(jìn)的方法對(duì)每個(gè)功能節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于每個(gè)步驟出現(xiàn)的問(wèn)題都進(jìn)行仔細(xì)排查，待問(wèn)題解決后，再進(jìn)行整體的測(cè)試，參看系統(tǒng)整體能否成功運(yùn)行，效果是否和預(yù)期效果一樣，系統(tǒng)是否能完成以下功能： ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是否能夠成功運(yùn)行，是否能夠完成相互的通信；ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)是否都能正常工作；協(xié)調(diào)器是否能夠正常完成數(shù)據(jù)的收集匯總發(fā)送工作，是否能截取信息并且顯示整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)；Android智能控制端是否能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，是否能夠控制相關(guān)的操作。如果數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)情況正常，相應(yīng)的功能模塊工作穩(wěn)定可靠，本系統(tǒng)總體運(yùn)行良好，那么該系統(tǒng)基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

本文基于Android平臺(tái)和ZigBee技術(shù)開(kāi)發(fā)了家庭智能安全用電系統(tǒng)。將ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與Android平臺(tái)融為一體，有效對(duì)插座進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)與外網(wǎng)和移動(dòng)手機(jī)的無(wú)縫連接，消除了家庭電器在使用時(shí)存在的種種安全隱患，保證了家庭用電的安全。

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[8]李建中，高宏. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2008，45（1）

[9]徐偉，姜元建，王斌. ZigBee技術(shù)在智能插座設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)通信，2011，32（221）

【基金項(xiàng)目】2013年度廣西高等教育教學(xué)改革工程立項(xiàng)項(xiàng)目（2013JGA348）

【作者簡(jiǎn)介】溫劍鋒（1979- ），男， 廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：智能計(jì)算，移動(dòng)互聯(lián)。

（責(zé)編 丁 夢(mèng)）