基于ZigBee 技術的學生宿舍用電管理系統設計

劉孝趙， 陳志峰

(蘇州經貿職業技術學院 機電與信息技術學院，江蘇 蘇州215009)

0 引 言

隨著現代信息技術水平的提高，大學生各種電子產品也越來越多，宿舍用電設備也隨之增多，涉及用電安全和節約能源也成為必要考慮的因素［1-2］。因此，高校管理部門應該對宿舍各種電氣設備用電電流及用電時間進行管理和控制。本文將采用ZigBee 技術的無線傳輸對宿舍用電進行采集并管控，建立能耗管控智能化服務系統，對學生宿舍內用電監控進行更深入的研究，切實提高節電的效果［3］。每個用電單元都被安裝有一個電能計量儀表，通過ZigBee 無線技術，將數據傳送到集中器，然后通過網絡保存到數據庫中，將校區宿舍的所有關鍵點都進行計量采集匯總統計后，即可以迅速掌握用電的情況，以及漏電情況等，這樣通過對宿舍的合理用電來節約資源，通過堵漏來避免浪費，實現節電，同時，如果宿舍使用大功率用電器，后臺將進行實時斷電，并讓宿舍管理員及時查找違章使用電器，可以避免安全事故。

1 Zigbee 技術

ZigBee 技術是一種新興的短距離、低功耗、低速率的無線通信技術［4］。它是基于IEEE802.15.4 無線標準而研發的技術，主要用于近距離無線通信系統［5］。非常適合用于家庭監測、工業控制、傳感器網絡等方面［6］。ZigBee 網絡傳輸速率一般是10 ～240 KB/s［7］。它采用了防碰撞機制，用戶不需要擔心數據碰撞融合的情況出現。傳輸過程中數據采用了加密算法，這樣大大提高了數據的安全性和可靠性［8］。它的協議是開放式的，無需專利費，這樣我們利用ZigBee 技術組網的成本將大大降低［9］。它具有很好的自動組網能力，ZigBee 網絡可以通過協調器進行多種形式的組網［10］。ZigBee 通信十分靈敏，延時時間一般被控制在15 ～30 ms 之間。且ZigBee 網絡容量比較大，范圍廣，工作頻率改變十分便捷。

ZigBee 協議可以分為四個層次結構，分別為物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層。其中最底層是物理層，在物理層之上時數據鏈路層，且這兩層都是由IEEE802.15.4 定義的，與其硬件相關度最大［11］。距離數據鏈路層最近的就是網絡層，網絡層之上就是應用層，且這兩層是由ZigBee 聯盟定義的［12］。物理層最接近硬件，直接控制無線收發器，數據鏈路層提供數據服務與管理服務，網絡層提供了一些確保數據鏈路層正常工作的函數庫，并且為應用層提供服務接口，應用層最接近用戶，為網絡層提供了服務接口，并且給用戶定義應用對象。一個基于ZigBee 技術標準的傳感網絡最多可以擁有65 000 多個節點，因此這項技術適合學生宿舍大規模傳感節點的部署。

2 系統設計

2.1 系統結構

宿舍無線管理采集系統主要由電能計量模塊(數據采集端)、集中器、機房管理中心、移動接收終端，以及連接數據通信方式組成，形成一個物聯網組合結構。其系統結構圖見圖1。每棟宿舍設計一個ZigBee 中心節點，節點與中心節點組成一個本地控制網絡，并通過GPRS 技術完成網絡之間的數據轉換，并將數據信息傳輸給機房管理中心和移動終端設備上。機房管理中心和移動終端設備可以調用集中器傳輸來的數據，并向集中器發送控制指令，實現抄表和管理控制功能。

2.2 系統功能設計

(1)實現預付制度。宿舍用電要提前到管理部門進行充值，管理系統每天定時對網絡中的電能計量表自動抄表，當電量不足預設閾值時，在電能表中安裝的報警器進行提醒，當電量用完時，遠程控制端會自動切斷供電。

圖1 系統結構圖

(2)實現惡意用電管理。當宿舍違規使用電飯煲、電熱爐和熱得快等大功率惡性負載時，防惡意用電裝置將進行報警提醒，20 s 未取消將自動進行斷電，同時把違章用電宿舍號通過網絡發送給數據控制中心和移動終端。

(3)實現限電管理。管理中心可以通過控制平臺軟件為不同宿舍分配限電標準、限電時間以及是否允許惡性負載的使用功能。

2.3 電能計量電路設計

電能計量主芯片選用單相多功能防盜專用計量芯片RN8209。它的內部有數模轉換器、乘法器、功率轉換器、可編程增益放大器和計量有功功率等主要數字電路構成。其主要工作原理:RN8209 把從通道1(相線電流通道)、通道2(零線電流通道)和通道3(電壓通道)中進來的模擬信號，這三路模擬信號經過AD 轉換器，轉換后的數字信號經過處理后送入乘法器，直接相乘后得到瞬時功率信號，再經過電壓頻率轉換器后，最后以頻率脈沖的形式輸出，再經過主控MCU 處理后進行顯示和控制。

本設計對RN8209 的外圍及擴展電路設計如圖2所示，其中包括電源電路、外部晶振電路和濾波電路組成。電路中不同阻值的電阻實現了系統的采集信號分流和分壓作用，外部晶振根據要求選用3.579 545 MHz，采集的電壓和電流通過分壓和分流后輸入到計量芯片的輸入端口。圖中分流器設計分為相電流和零線電流兩個采集通道。相電流傳感器選用互感器，其變化比為2000∶ 1。在實踐使用中，設置最大電流50 A 時，輸入信號在0.35 Vrms(電壓有效值)左右，因此互感器的電阻值為0.35/60 ×2000 =14 Ω，從電阻實際阻值考慮選取15 Ω。零線電流通道采用錳銅分流器，分流值選取不易過大和過小。如果選取值過大，則外部短路對分流器的影響非常小，靈敏度降低。如果選取值過小，則在小負載時，又不能符合國標精度要求。因此在實際電路實驗中，選擇300 μΩ 較為合適，且該通道增益設為16 倍。在50 A 時，兩端電壓信號為300 ×16 ×50 =240 000 μV，即240 mVrms。

圖2 外圍電路及信號輸入輸出接口

電壓采集電路用電阻分壓方式輸入，電流、電壓通道輸入幅度峰值設為700 mV 為允許輸入的最大信號，且考慮到余量，本設計0.2 Vrms，則取樣電阻為1 000 ×0.2/220 ×1 000 =910 Ω，因此選取1 kΩ。

2.4 ZigBee 外圍電路設計

數據采集端和集中器都采用基于CC2430 的ZigBee 模塊，以此來組成無線發射和MEG16 單片機的無線收發設備。其中CC2430 是TI 公司生產的無線收發芯片，它結構簡單功能強大，具有2.4 GHz DSSS 射頻收發器核心。且內嵌51 內核，容易編程，可以充當無線網絡的終端、路由和協調器［13］。另外，CC2430 有兩個可編程串行USART［14］，用于主從SPI/UART，可以與單片機串行通信，本文即是通過串口連接CPU 與CC2430 芯片，其外圍設計圖如圖3 所示。

CC2430 外圍需要很少的電路就可以實現收發功能，連接一個非平衡天線，另外還有一個非平衡變壓器，可以使得非平衡的天線性能更加優越。通過芯片組建的ZigBee 網絡來實現數據抄讀，其中數據采集端和集中器可以組建點對點、星狀或網絡狀拓撲結構，在實驗中，整個結構滿足匹配要求，效果良好。

3 系統軟件設計

本文主要對主程序、電能計量采集程序、ZigBee 通信程序、惡性負載檢測程序、報警程序、GPRS 程序、機房管理中心界面程序、移動智能終端程序等組成，采用單片機C 語言編程，用AVR Studio 進行調試，基于篇幅有限，這里主要介紹主程序流程和通信程序設計，其它不在贅述。

圖3 CC2430 外圍電路

3.1 主程序流程

主程序流程如圖4 所示，設計了宿舍不允許超限使用和惡性負載，電能表計量模塊檢測用戶是否有惡性負載和超限用電信號時，如果有，則主控MEG16 芯片會發出報警［15］，20 s 后再次進行檢測，如違規使用則斷電，如無，則正常執行電能計量與通信信號傳輸功能。

圖4 主程序流程圖

3.2 通信軟件設計

本系統主要結合了ZigBee 和GPRS 技術，進行長距離控制命令、集中器定時采集、自組網、數據中心統計分析等功能。軟件在設計過程中主要通過對ZigBee網絡通信協議棧操作完成數據采集和接收，包括初始化、報警提示、數據發送和接收程序設計［16］。ZigBee模塊作為無線網絡設備中的協調器自動完成組網，主要包括網絡初始化和節點加入網絡。其中節點加入網絡主要包括通過與協調器連接入網和通過已知父節點如果，各自安裝在電能計量模塊設備上的ZigBee 模塊作為終端節點通過綁定式加入網絡，并進行初始化、數據傳輸、處理信息。

4 結 語

本系統是將電能表計量數據通過ZigBee 無線網絡將數據通過集中器后經GPRS 網絡傳送到機房管理中心和移動智能終端，構成宿舍用電三層分布式電量無線采集系統。基于ZigBee 技術無線的學生宿舍用電監控監控系統可以大大降低成本，提高電能計量采集的效率，在實驗過程中，能夠滿足學校要求，有效解決學生宿舍用電管理的難題，同時還可以培養學生節能環保的意識。ZigBee 技術作為新興無線通信技術，在工業監控、樓宇智能化、家居系統控制將具有廣闊的應用前景。

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