基于ZigBee通信可供遠(yuǎn)程控制和節(jié)能研究

黃亮亮

摘 要：提出了遠(yuǎn)程控制和節(jié)能空間架構(gòu)減少待機(jī)功耗，使房間更容易通過紅外遠(yuǎn)程控制家電。提出設(shè)計(jì)自動(dòng)切斷處于待機(jī)電源的插座和紅外編碼學(xué)習(xí)功能的ZigBee控制器。該電源插座按預(yù)設(shè)時(shí)間監(jiān)控電源消耗，當(dāng)監(jiān)控能耗低于閥值將完全切斷電源。為有效地管理電源插座和燈，文章提出了學(xué)習(xí)紅外編碼功能的ZigBee控制器。ZigBee控制器可以指定一個(gè)特定的紅外編碼來遠(yuǎn)程控制家用電器的電源插座或調(diào)光燈。用戶可以通過任何家電的紅外遙控來控制電源插座和調(diào)光燈。文章提議的空間建筑實(shí)現(xiàn)了可遠(yuǎn)程控制和節(jié)能。

關(guān)鍵詞：ZigBee；遠(yuǎn)程控制；紅外；節(jié)能；電源插座；待機(jī)功率

1 介紹

隨著越來越多的能耗電子產(chǎn)品和家用電器部署和規(guī)模越來越大，能源消耗在國(guó)內(nèi)地區(qū)傾向于增加。眾所周知，平均10%的家用電氣會(huì)產(chǎn)生能耗率當(dāng)處于待機(jī)狀態(tài)。減少電氣設(shè)備的待機(jī)功率少于1 瓦，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）提出“1瓦計(jì)劃”。以前的系統(tǒng)只監(jiān)控能耗和保護(hù)過載的電源插座。有效的節(jié)能方法沒起到切斷無用的待機(jī)能耗。

文章中提出一個(gè)可供遠(yuǎn)程控制和節(jié)能空間建筑。為實(shí)現(xiàn)我們提出的空間建筑， 自動(dòng)切斷待機(jī)功率插座和學(xué)習(xí)紅外編碼功能ZigBee控制器及其運(yùn)行機(jī)制描述解釋。在第二部分中，提出了備用電源自動(dòng)切斷插座和ZigBee控制器詳細(xì)描述。

2 提出了電源插座和ZigBee控制器

2.1 自動(dòng)切斷待機(jī)功率插座

該電源插座是為了能自動(dòng)切斷處于待機(jī)狀態(tài)的電源插座。如圖1顯示電源插座的構(gòu)造。它的組成由：一個(gè)AC/DC轉(zhuǎn)換器，一個(gè)兩個(gè)觸點(diǎn)繼電器，電源監(jiān)控電路和單片機(jī)。交流電輸入點(diǎn)接到繼電器兩個(gè)觸點(diǎn)，繼電器的輸出端其中一個(gè)點(diǎn)接到交流輸出插座，另外一個(gè)點(diǎn)聯(lián)到電源監(jiān)控電路。電源監(jiān)控電路由變壓器、整流二極管和其他的元器件組成。它將功耗測(cè)量值轉(zhuǎn)換為電壓，單片機(jī)通過電壓數(shù)值計(jì)算功耗。基于計(jì)算功耗來控制繼電器切斷電源。AC / DC轉(zhuǎn)換電路提供所需的直流電源給單片機(jī)，單片機(jī)集成ZigBee射頻（RF）模塊可遠(yuǎn)程控制單元通信。

該電源插座的周期循環(huán)監(jiān)控電源能耗通過電源監(jiān)控電路。電源插座有四種狀態(tài)：?jiǎn)?dòng)，運(yùn)行，正常和關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)交流電源開始供電給電源插座，單片機(jī)激活并執(zhí)行軟件。啟動(dòng)后，單片機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，單片機(jī)不監(jiān)控消耗功率，但打開繼電器和等待保護(hù)時(shí)間，比如，兩分鐘。保護(hù)時(shí)間過后，進(jìn)入正常狀態(tài)。正常狀態(tài)單片機(jī)監(jiān)控消耗功率。所監(jiān)控的能耗是呈波形，通過平均了數(shù)百個(gè)波形能耗。當(dāng)檢測(cè)值低于先前設(shè)定的閥值功耗，比如兩分鐘，單片機(jī)將關(guān)掉繼電器來完全切換交流電源。然后進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。這個(gè)時(shí)候單片機(jī)不再監(jiān)控功耗，直到收到通過ZigBee通訊傳來的激活指令。當(dāng)它收到激活指令，將吸合繼電器的觸點(diǎn)，供電至電源輸出點(diǎn)。又進(jìn)入了運(yùn)行狀態(tài)。不斷地重復(fù)著這個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

2.2 具有學(xué)習(xí)紅外編碼功能ZigBee控制器

在普通的房間里，有好幾個(gè)電源插座，若干個(gè)燈和一個(gè)可調(diào)光燈。為控制這些電源插座和燈，必須安裝ZigBee控制器到房間里。圖2顯示了ZigBee控制器與通過ZigBee通訊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。ZigBee控制器由一個(gè)交流/直流轉(zhuǎn)換電路，一個(gè)有ZigBee射頻模塊單片機(jī)，幾個(gè)按鈕開關(guān)和一個(gè)紅外接收器。如果第一個(gè)按鈕是分配給第一個(gè)電源插座，按第一個(gè)按鈕喚醒來第一個(gè)電源插座和使它轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)。其他兩個(gè)按鈕可以分配給調(diào)光燈，一個(gè)用于“亮”功能，另一個(gè)用于“暗”功能。

連接到電源插座的家電一旦改變，待機(jī)功率將會(huì)與之前家用電器待機(jī)功率不一樣。在這種情況下，閾值功率應(yīng)配置適當(dāng)?shù)牟僮鳌Ｍㄟ^鏈接新家電，啟動(dòng)與關(guān)閉來測(cè)量相關(guān)功率參數(shù)，單片機(jī)通過使用這兩個(gè)測(cè)量的功率來計(jì)算閾值功率。比如通過計(jì)算待機(jī)功率和正常功率算術(shù)平均值。

當(dāng)用戶想要打開連接到電源插座的家電，他需要通過按下相應(yīng)的按鈕喚醒電源插座，然后通過紅外遠(yuǎn)程控制打開家電。用戶通過ZigBee控制器和按相應(yīng)的按鈕來打開一個(gè)家電。將學(xué)習(xí)紅外編碼功能添加到ZigBee控制器。圖3展示紅外編碼模塊細(xì)節(jié)。它可以被視為一種脈沖流高電平時(shí)間和低電平時(shí)間如圖3所示。載波信號(hào)可以通過測(cè)量的紅外PD的輸出信號(hào)抽樣和記錄高電平時(shí)間和低電平時(shí)間。高電平時(shí)間通過測(cè)量上升沿和下降沿之間的時(shí)間來計(jì)算。低電平時(shí)間通過測(cè)量下降沿和上升沿之間的時(shí)間來計(jì)算。由于載波信號(hào)脈沖流不是恒定脈沖信號(hào)流。它可以被視為重復(fù)脈沖流具有不同脈沖持續(xù)時(shí)間。用帶通濾波器元件拒絕載波頻率通過后，它也可以抽樣和記錄通過測(cè)量的高電平和低電平時(shí)間重復(fù)脈沖連續(xù)反相脈沖時(shí)間可以描述倍基帶信號(hào)。

ZigBee控制器有兩種模式。學(xué)習(xí)模式和操作模式。在學(xué)習(xí)模式中，用戶可以指定特定的按鈕來控制某部分紅外編碼：用戶連續(xù)兩次按下一個(gè)按鈕，觸發(fā)ZigBee控制器進(jìn)入學(xué)習(xí)模式。然后他發(fā)送遠(yuǎn)程控制紅外編碼到紅外接收模塊。核心處理單元記錄載波和基帶信號(hào)，并將它們存儲(chǔ)在紅外編碼存儲(chǔ)并關(guān)聯(lián)相應(yīng)的按鈕。用戶發(fā)送遠(yuǎn)程控制紅外編碼到紅外接收模塊，核心處理單元記錄載波和基帶信號(hào)，然后對(duì)紅外編碼與存儲(chǔ)的記錄進(jìn)行比較。搜索找到匹配的編碼，核心處理單元執(zhí)行相應(yīng)的按鈕命令。如果有足夠的內(nèi)存來存儲(chǔ)編碼，可以將許多紅外編碼分配給一個(gè)按鈕。所以各種遠(yuǎn)程紅外編碼可以方便地被記錄下來。

隨著ZigBee推廣，通過遙控器，可以隨時(shí)在家中的任何一個(gè)地方對(duì)各種家電設(shè)備進(jìn)行智能控制，借助于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為便利、舒適、高效的無線智能家居系統(tǒng)。

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