基于zigbee技術的智能節能插座設計

◆董天昊 王琮澤 張 豪 韓 攀 張镕昊 王 雷

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基于zigbee技術的智能節能插座設計

◆董天昊 王琮澤 張 豪 韓 攀 張镕昊 王 雷

（吉林建筑大學電氣與計算機學院 吉林 130021）

當前的節能方式已趨于飽和狀態，智能節能系統能夠為人類提供更加輕松、有序、高效的節能方式，是一種新的節能趨勢，基于 ZIGBEE無線通信技術的智能節能插座是一種全新的節能設計理念，目的是為人類提供一種智能化和信息化的家居系統。本文通過與傳統節能方式進行對比，分析了節能的的目的及意義，闡述了智能節能插座的特征，對智能節能插座分析、對比和研究。將zigbee技術運用于插座系統中，可以實時地監控用戶電能的使用情況，減少電能的消耗，提高電能的利用率。

ZIGBEE；節能；智能插座

0 引言

隨著現代經濟的高速發展，貫徹節能化、智能化、安全化的方針已經成為節能系統發展的新趨向。而基于zigbee技術的智能節能系統提出了綠色、創新、安全的節能理念，基于目前科學技術的快速發展，zigbee技術在智能節能插座領域的研究已不可同日而語。所以，本文在傳統節能研究的基礎上，把Zigbee無線通信技術應用于節能中，并提出一種采取Zigbee無線通信技術與普通插座相結合的節能設計方案。

1 基于zigbee技術的智能節能插座的特點

ZigBee是運用在無線個人網絡領域中新興的無線通信技術，該通信技術可運用于智能節能插座中，以傳感器為介質，通過智能插座和主控制器連接，將數據傳送給主控制器，同時響應主控器也能接受到命令，為了保證智能插座的正常工作。主控制器與智能插座形成穩定的通信收集，通信過程中具有防止病毒感染、信息傳遞安全可靠的功能。

1.1 安全性

ZigBee無線數傳網絡具有安全可靠的優點，通常來說完整的 ZigBee的體系結構應該包括 IEEE802.15.4中界說的 PHY層和 MAC層， MAC層的安全模式在數據傳輸過程中出現問題時可以舉行重發。同時，ZigBee無線通信技術 采取了 AES-128的加密算法，ZigBee供給了三級平安模式，各個利用可以矯捷肯定其平安屬性。此外，ZigBee無線通信技術特有的安全服務提供層提供了安全機制，服務機制具有安全可靠的特點。 值得注意的是，體系團體平安性是在模板級界說的，這意味著模板應當界說某一特定收集中應當實現何種范例的平安。另一方面，為滿足智能家居體系的需求，本文論述的新型智能插座具有過負載保護、超負荷保護以及短路保護功能，當電路系統檢測出插座漏電便停止供電，在輸入電壓過高、輸入功率過大時，系統會主動斷開電源，以實現對家用電器及路線的保護。 目前，隨著全國經濟和科技的發展和進步，計算機成為日常生活的必需品，因此主路控制型智能插座也在生活中發揮出巨大的作用。 主路控制型智能插座以主路為核心，輔路作為基礎，控制輸入電壓和輸入功率，避免線路出現短路情況，引起火災的發生。

1.2 節能化

眾所周知，節能已經成為了當今世界的主題，在科技高速發展的時代，各個領域的科研工作者日復一日的圍著節能的目標而奮進。基于zigbee無線通信技術的智能節能插座的出現，節能方式開創了新的紀元。近幾年來，隨著科學技術的快速發展和人民物質生活水平的不斷提高。 插座已經不再扮演一個普通的角色，我們將 zigbee技術運用于插座中，創造出一種新型的插座，該智能節能插座具有檢測功能，能夠對電路系統中輸入電壓、輸入電流、輸入功率做出監測，另一方面，用戶還可以對生活中的電器的運行狀態進行監測， 對待機狀況提出可行性闡發，對用電量舉行參考，及時監測用電的環境，節省不必要的電能損失。 智能插座的定時功能可以對用戶提供分時供電，在電價便宜的時候啟動熱水器、洗衣機等工作，從而節約電費，該智能節能插座可利用單片機對串行口進行編程，利用時鐘電路實現定時開關的功能， 最大化的提高電能的利用率。

1.3 智能化

基于 zigbee無線通信技術的智能節能插座主要是實現控制電源的開斷，物聯網伴隨著計算機、移動通信網絡的興起之后， 成為當下炙手可熱的研究方向，網絡化必然成為重點的研究領域。 隨著當今世界科學技術的高速發展，智能插座與計算機已經密不可分，本地計算機可通過本地網絡與嵌入式主控制器毗連通訊，利用家庭中的安防系統，對用戶的生活狀態進行查看。從遠程控制角度分析，通過主控制器與 Internet共享網絡相互連接，家庭用戶可操縱遠程端的個人計算機在家庭網絡完成登錄設置，同時，個人用戶也可以通過手機或者平板電腦使用4G網登錄 Internet，不僅能夠實現遠程控制， 而且能夠實時、實地地完成數據的傳輸。為了保證智能家居系統的安全性，進行遠距離控制操作必須擁有相應的網絡允許協議。

2 基于zigbee技術的智能節能插座的設計實現

2.1 zigbee結構的設計

通常來說完整的zigbee結構系統以IEEE 802.15.4的尺度界說PHY層和數據鏈路層的MAC子層。此中，PHY層主要由射頻收發器和底部的通信模塊兩部分組成；MAC子層作為物理信息的訪問高層，以IP地址的形式為串行口提供點到點通信方式。 MAC協議的功能主要是對系統模式的幀的傳送與接收進行確認并對于信道接入進行控制；另外一方面，對同步網絡完成構建、檢測、維護、檢修結束的操作。MAC層的指令操作主要分成四種格式，主要包括信標幀、確認幀、MAC命令幀以及數據幀。 另外，協議數據單元的最大長度為127字節，PHY子層的界定是一種與外部接口進行信息交流、信息傳遞的芯片，主要以物理層的方式體現。 具體來說 PHY子層代表的就是一種以太網芯片，現實生活中無處不在的網卡，無論是網上地址訪問還是網絡游戲，網卡在互聯網紀元中都扮演了一個重要的角色。 對于zigbee設備而言，如果想要實現zigbee的功能和服務，即進行點對點的通信來說，只需要實現PHY層和MAC子層的功能即可。 根據不同的設計要求，具有多種設計方案，從經濟成本和節約能源的方向定義，本文選擇具有集成功能的SOC芯片，內部帶有MCU，可實現單片解決方案。

2.2 智能節能插座的電路系統設計

智能節能插座的電路系統主要以微型計算機處理器為核心，其他部分主要包括交流直流電源轉換、輸入端信號檢測、輸出功率控制、通信模塊等。 微型計算機處理器作為整個電路系統的核心，采用64位處理器并添加防護軟件，以實現信息交流、信息控制、通信檢測的功能； 交流直流電源轉換部功能是將380/220的交流電轉換為常用的直流電，這個過程稱之為整流。整流后的輸出功率必須滿足電路系統的要求；功率控制采取單相橋式不控整流器嵌入Boost升壓電路后可完成網側單位功率因子控制，改善用電質量。 信號測量部分將輸入電壓和輸入電流轉換成弱信號，再輸入到計量芯片中，電路系統中的交直轉換電路以及數字運算電路可對其電壓有效值、電流有效值進行計算再反饋到微處理器中。通信模塊的實現基于 PHY層和 MAC子層的功能，對于整個電路系統而言，智能節能插座的實現方式和zigbee技術是密不可分的，嚴格意義上無線網絡為智能節能插座提供了基礎。

3 結論

基于 zigbee技術的智能節能插座開創了新的節能時代，其具有的低消耗、節能性、安全性的節能特點， 可提高電能的利用率，智能節能插座是智能家居系統的重要組成部分，可方便地實現用電設備的監測、控制及數據傳輸， 這是一個能夠改變人們生活方式的產品，相信智能節能插座憑借其智能化、節能化、人性化的優勢也會迎來雨后春筍式的發展。縱觀當今世界的發展，科技創新更加廣泛的影響著經濟社會的發展和人民生活，科技發展水平更加深刻的反映出一個國家的綜合國力和核心競爭力。亦如伯格森所說“對新的對象必須創出全新的概念”，因此基于zigbee技術的智能節能插座將創造出一種全新的節能方式，同時也會為節能做出巨大的貢獻。

[1]宋艷霞. 基于 ZigBee 的智能照明設備控制系統設計[D]. 中北大學, 2013.

[2]周武斌. ZigBee 無線組網技術的研究 [D][D]. 長沙: 中南大學, 2009.

2018年省級大學生創新訓練計劃項目（項目編號：201810191104 ）。