基于ZigBee的學生宿舍智能限電控制系統

滕志軍，張明儒，許建軍，郭素陽

（東北電力大學 信息工程學院，吉林 132012）

隨著小家電的快速普及，在大學宿舍經常看到吹風機、熱得快、電飯煲等大功率電器設備，輕則引起電路短路跳閘，重則會引起火災，目前學生宿舍消防安全面臨嚴峻形勢[1]。實時安全防護是保障學生安全的基本保障，為此越來越多的學校在宿舍安裝了限電控制器，但是采用獨立、不能聯網的限電控制器，若宿舍斷電后，宿舍管理員需到電房手動恢復用電，給宿舍管理員的工作帶來諸多不便[2-3]。傳統的通信方式多采用有線傳輸，然而有線通信方式成本高、受環境溫濕度等因素影響使用壽命短，需要經常對通信線路進行維護[4-5]。

針對學生宿舍出現大功率違章電器和學校限電管理不足問題，本文提出基于ZigBee的學生宿舍智能限電控制系統。智能終端以嵌入式Linux為操作系統，選用低功耗的ZigBee終端節點實時采集電氣參數，采用3G無線通信模塊，在運行中系統分布的ZigBee節點采集的數據實時傳輸到遠程監測中心，實現實時電氣參數的在線檢測，實時功率超過預設值或使用惡性負載時，系統切斷電源，去除超額負載后，系統自動恢復宿舍供電。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee標準定義短距離、低數據傳輸速率無線通信所需要的一系列通信協議，所使用的無線網絡工作頻段為868 MHz、915 MHz和2.4 GHz，最大數據傳輸速率為250 kb/s。ZigBee具有高可靠性、低成本、低功耗、高安全性、低數據速率等特點[6-10]。Zig-Bee網絡中的設備主要由協調器（Coordinator）、路由器（Router）和終端節點（End Device）組成，拓撲結構主要有星型、網型和樹型[11-12]。ZigBee協議采用分層的思想分為物理層（PHY）、介質訪問層（MAC）、網絡層（NWK）、應用程序支持子層（APS）和應用層（APL）。ZigBee主要應用在短距離無線控制系統，傳輸少量的控制信息，例如在工業控制、智能家居和商業樓宇自動化、農業、醫學等領域。

2 系統總體設計

智能限電控制系統由檢測終端、智能終端和遠程監測中心3部分組成。檢測終端包括ZigBee終端節點、微處理器STC89C52單片機、控制部分、電源模塊和功率測量模塊。智能終端包括ARM微處理器、ZigBee協調器、電源模塊和3G無線通信模塊。遠程監測中心包括主機和存放數據的數據庫等。

檢測終端主要實現功率參數實時在線檢測，包括電流和電壓參數，并且通過編寫程序實現宿舍實時功率（P=UI）的檢測，將檢測的功率參數通過Zig-Bee終端節點傳輸到ZigBee路由器，最終傳輸到ZigBee協調器。如果超過預設的功率或使用惡性負載，系統通過調用控制模塊的繼電器切斷宿舍電源，去除超額負載后，系統自動恢復宿舍供電。

智能終端主要實現將接收到的實時功率參數通過3G模塊傳輸到遠程監測中心。ZigBee協調器接收到的功率參數數據傳輸到ARM處理器，3G無線通信模塊通過TCP/IP建立網絡連接，遠程監測中心主機顯示屏實時地顯示各個宿舍的實時功率參數（電壓、電流和功率），并且將檢測的數據保存在數據庫中，系統框架圖如圖1所示。

圖1 系統框架圖Fig.1 System framework map

3 檢測終端設計

檢測終端主要包括電源模塊、微處理器模塊、功率測量模塊、控制模塊和ZigBee模塊。功率測量模塊通過P1口、控制模塊通過P2口、ZigBee模塊通過P3.0和P3.1分別與單片機芯片進行通信，檢測終端框架圖如圖2所示。

3.1 微處理器模塊

微處理器模塊選用STC公司生產的STC89C52，該芯片是一種低功耗、高性能CMOS 8位微處理器，具有8 KB可編程Flash存儲器。STC89C52有4個GPIO口，分別是 P0、P1、P2和 P3口，其中 P0口輸出電壓較小，需要加上拉電阻，一般用于連接數碼管和LCD液晶顯示屏。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能，其應用領域非常廣泛。

3.2 功率測量模塊

功率測量模塊由電流傳感器和電壓傳感器以及外圍電路組成。功率測量模塊通過串行外設接口SPI與單片機STC89C52相連接。電流傳感器選用GY-712，工作溫度范圍為-40℃～85℃，測出電流范圍為-30 A～30 A，50 kHz的帶寬，具有高靈敏度、低漂移、高線性度和較強的抗干擾能力等特點。電壓傳感器選用LV25-P，能夠測量交直流電壓，額定電壓范圍為10 V～500 V，具有較強抗干擾能力、低溫度漂移、高帶寬和高精度等特點。

3.3 控制模塊

當宿舍實時功率超過預設的功率時，單片機芯片通過P2口向控制模塊發送控制信號，控制信號經過放大電路放大驅動信號，瞬間將繼電器從ON到OFF切斷電源。另外，在繼電器兩側加1個二極管，不但可以產生反向電壓驅動繼電器，而且還可以防止燒壞放大電路的晶體管。

3.4 ZigBee模塊

ZigBee模塊選用德州儀器（TI）公司推出的完全支持ZigBee 2007協議的單片機CC2530芯片，相應的協議棧Z-Stack。CC2530-EB開發板主要由電源接口、ADC接口、RS232接口、仿真接口 （10針JTAG接口）、天線接口（2.4 GHz天線）和擴展接口組成。ZigBee模塊采用電源電壓為3.3 V，ZigBee終端節點采用樹型網絡結構。

3.5 電源模塊

電源模塊主要是通過電壓變換電路將5 V電壓轉變成3.3 V、1.8 V和1.2 V電壓，該系統使用LM1117芯片將電壓轉換成3.3 V和1.8 V，使用MAX8860EUA18芯片將5V電壓轉換成1.2V電壓。

3.6 檢測終端軟件設計流程

ZigBee終端節點是基于ZigBee協議棧ZStack，IAR Embedded Workbench開發環境用于軟件的編寫。ZigBee終端節點搜索協調器節點所建立的網絡，如果搜索網絡成功之后，連接網絡，進入休眠狀態，通過中斷喚醒，將實時采集的功率參數發送到協調器節點。

實時的功率與前1 s的功率之差如果大于600 W，可以近似地判斷宿舍使用惡性電阻性負載（熱得快、吹風機和電飯煲等）。惡性電阻性負載大部分最小功率都大于600 W，考慮學生均使用筆記本電腦，6臺筆記本電腦同時開機，線路一般不會超過600 W。這只是近似判斷，應該判斷功率因數（有功功率與視在功率的比）才可以準確地判斷是不是增加惡性負載，電阻性負載功率因數為1，在這里間接地認為如果使用惡性負載，會造成線路的總功率瞬間猛增。

STC89C52芯片使用的開發環境為Keil C51，使用STC芯片自帶的STC-ISP燒錄工具將程序代碼下載到單片機芯片里面。微處理器每隔1 s通過中斷獲取電氣參數，并且通過程序計算出實時功率，對收到的實時數據加以判斷，當前的功率如果比前一次的功率大600 W，則近似判斷使用惡性負載，將啟動控制模塊的繼電器，直接切斷電源，去除超額負載后，通過控制模塊恢復宿舍供電。反之，總功率不超過800 W，則認為無惡性負載，檢測終端流程圖如圖3所示。

圖3 檢測終端流程圖Fig.3 Flow chart of detect terminal

4 智能終端設計

智能終端主要包括ZigBee協調器、ARM微處理器、3G模塊和電源模塊。ZigBee協調器模塊和3G模塊分別通過串口UART1和UART2進行通信，其中ZigBee協調器與ZigBee終端節點采用的都是CC2530芯片，電源模塊與檢測終端電源模塊相同，都是將5 V電壓轉換成模塊工作電壓3.3 V。

4.1 ARM微處理器模塊

ARM微處理器模塊選用三星公司生產的S3C2410A芯片，使用了ARM公司的ARM920T內核，采用了稱為先進微處理器總線結構AMBA（advanced microController Bus Architecture）。內部包含2個協處理器、單獨16 KB指令cache和MMU、單獨16 KB數據cache和MMU等；產生對SDRAM/Nor Flash/SRAM存儲器芯片的控制器和片選邏輯；Nand Flash控制器；帶有4通道DMA；3通道通用異步收發器 （UART），支持紅外傳輸；2通道SPI；2通道USB主控制器；8通道10位ADC與觸摸屏接口；帶鎖相環（PLL）的片內時鐘發生器；117位GPIO端口，其中24通道可用作24路外部中斷源；中斷控制器。本模塊使用的工作電壓為3.3 V。

4.2 3G無線通信模塊

3G無線通信模塊采用的是華為公司生產的MU509（UMTS/HSDPA 2100 MHz GSM/GPRS/EDGE 850/900/1800/1900 MHz）通訊模塊，是雙頻WCDMA工業級無線模塊，支持3.6 Mb/s下行速率；提供高質量的語音、短信功能，FOTA功能，內置TCP/IP協議棧，以及華為擴展AT命令集。MU509有8個wire UART。采用標準RS232串行接口，支持語音數據以及短消息（SMS）的接收、發送以及對短信的管理，支持TCP/IP、PPP protocol通信協議。通過調用AT指令來控制3G模塊，嵌入式ARM微處理器可以借助3G無線通信模塊強大的數據傳輸功能實時地進行信息處理。MU509的數據輸入、輸出接口實際上是一個串口，它可以與S3C2410A中的串口直接連接，工作電壓3.3 V。

4.3 智能終端軟件設計流程

基于嵌入式Linux操作系統Red Hat6.3，選用ARM S3C2410A處理器，來實現各個模塊之間的通信。實時的電氣參數電壓和電流等數據都是采用中斷的方式獲取和經過多線程處理。3G模塊與遠程監測中心通信協議是TCP/IP，智能終端流程圖如圖4所示。

圖4 智能終端流程圖Fig.4 Smart terminal flow chart

ZigBee協調器節點主要是組建網絡，接收終端節點發送的實時數據，并且將接收到的數據發送到3G無線通信模塊。

5 測試結果及分析

為了驗證該系統的可行性，系統硬軟件調試之后，在校園宿舍進行測試，ZigBee節點采用樹型網絡結構，每個宿舍放置一個檢測終端 （內含1個ZigBee終端采集節點），系統中設置最大安全功率為800 W和無負載時實時功率與前1 s功率之差不超過600 W，在宿舍樓的101、201、301和401宿舍進行數據的實時采集，其中101、201宿舍電器設備總功率不超過800 W，301使用惡性負載吹風機但不超過800 W，401總功率超過800 W。使用面向對象C++Qt Creator遠程顯示結果，實時電氣參數界面刷新頻率為1 Hz。

圖5為學生宿舍遠程監測結果。從圖中可以看出，101、201宿舍使用的電器總功率分別為548.3 W和219.4 W，均不超過預設的安全功率800 W，因此符合設定的最大安全值，電器設備運行正常，雖然301宿舍不超過800 W，但使用惡性電阻性負載，不能正常運行。401宿舍未使用惡性負載，但總功率超過800 W，仍然不能正常運行。

圖5 學生宿舍遠程測試結果Fig.5 Dormitories remote test result

圖6為宿舍每天用電量統計曲線。從曲線中可以看出1月10號（周六）和1月11號（周日）宿舍用電量劇增。經過多次測試該系統，丟包率、誤包率和誤判率都在0.3%以內。另外，本系統選用3G無線通信模塊，受到網絡信號不穩等因素，實時的電氣參數在遠程監測中心界面上有一定的延遲。

圖6 宿舍每天用電量Fig.6 Dormitory daily consumption

6 結語

本文研究了宿舍功率參數（電壓、電流）的采集、處理，3G網絡無線傳輸，多線程處理等關鍵技術。提出智能終端以ARM9 S3C2410微處理器為核心處理器，嵌入式Linux為操作系統，結合ZigBee模塊、3G模塊、功率測量模塊、控制模塊和電源模塊，在遠程監測中心實現了對宿舍功率參數檢測和因使用惡性負載超過最大安全功率自動跳閘、自動恢復的功能，延時誤差較小。該系統具有安裝簡單、功耗小、功能強大和極具實用性等特點，具有廣泛的應用前景。考慮本系統出現的不足，下一階段的工作主要是改善負載識別方法、降低系統檢測延時和降低ZigBee節點的功耗。

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