基于ZigBee的智能用電管理系統分析

程麗妮，張建強，楊 標，喻偉闖

（1.湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族學院 科技學院，湖北 恩施 445000）

目前，建筑中用電設備間大多數采用物理連線的方式，對樓宇電源開斷的控制依賴于人工操作的方式。當房間無人使用或者突發安全狀況時，只能人工手動斷電，電路出現故障時無法及時發現也不易檢修[1]。為保證公共用電的節能性、安全性，設計了一套基于ZigBee技術的集檢測、控制和保護為一體的多參數、低成本的樓宇管理系統。本設計將無線通信與視頻監測、電源控制技術相結合，可以通過網頁客戶端實時監控樓棟中各處的情況，一鍵式控制電源開斷。同時，可以感知電路中的異常電流波動，出現異常自動斷電并向后臺報警告知異常位置，實現樓棟用電設備的實時管理、定點控制和遠程監控[2]，節省了大量人力成本。

1 系統方案設計

系統通過終端節點將采集到的傳感器檢測數據發送給協調器，協調器與WiFi模塊交互，將數據匯總發送到服務器，管理人員通過管理客戶端實時監測樓棟內用電情況并及時處理。系統總體設計框如圖1所示。

圖1 系統總體設計框

電路分支中安裝有霍爾電流傳感器，CC2530芯片內部12位高精度AD采樣功能模塊對傳感器檢測的數據進行采集，判斷其是否處于高負荷狀態，若電路存在危險則立即切斷電源，并根據節點位置確定故障出現范圍。本系統安裝有USB攝像頭，通過RT5350WiFi模塊將其采集的視頻信號傳輸至控制端。管理人員可通過軟件界面查看樓宇狀況，并能一鍵開關設備。

2 系統硬件設計

終端節點使用﹢5 V供電，霍爾傳感器用于檢測電路中的電流波動情況，檢測到的數據通過終端節點傳給處理器進行處理分析是否超過閾值，超過閾值則給終端節點下發斷電命令，控制繼電器斷開該部分電源，并將故障地點返回控制端。以此保證用電安全，提高檢修效率。其中共包含以下幾個部分。

2.1 主控芯片CC2530

CC2530采用增強版8051內核，特點在于具有強大的5通道DMA、IEEE802.5.4MAC定時器、IR發生電路、具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時器、硬件支持CSMA/CA、8路輸入和可配置分辨率的12位ADC、電池監控器和溫度傳感器等[3]。可大量應用于家庭樓宇自動化、照明系統、工業自動化，低功耗無線傳感網絡等方面。

2.2 故障檢測模塊

在本設計中終端節點連接霍爾電流傳感器，該傳感器基于磁平衡式霍爾原理，電流通過主回路時，原邊回路有一被測電流，將產生磁通，此時復邊補償線圈通過的電流所產生的磁通會對其進行補償，使其保持磁平衡，霍爾器件則始終處于檢測零磁通的狀態[4]。其中被測電流的任何變化都會破壞這一平衡，一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出[5]。

2.3 繼電器電路

本設計中繼電器起到控制電路接通關斷的作用，繼電器受到終端節點的控制，通常繼電器接常閉接口，此時繼電器與電路短接，當出現過流情況或通過遠程控制時，終端節點給繼電器一個高電平觸發使其與電路斷開連接，以此切斷該部分用電。

3 系統軟件設計

本系統軟件設計主要包括通過ZigBee數據傳輸，視頻傳輸以及控制端管理軟件的開發。

采集的原始數據通過ZigBee協議進行傳輸，處理器將數據與設定閾值進行對比，異常則彈出警告窗口。通過匹配發送信息節點標號確定異常區域，進而斷開該部分電源，等待維修。同時通過控制端可遠程查看樓棟各處監控視頻。軟件程序設計的流程如圖2所示。

圖2 程序設計流程

3.1 ZigBee數據傳輸

采用ZigBee協議進行數據的無線傳輸，無線傳感網絡由中心節點和普通節點組成，普通節點與傳感器相連。當一個FFD被激活后，如果網絡中不存在網絡協調器，則開始組建自己的網絡，其他設備加入其組建的網絡。在整個無線傳感網絡中，采取主機輪巡查問和突發事件報告的機制，當主機發送查詢命令后，傳感器節點給主機回發采集數據[6]。

3.2 視頻傳輸

我們利用USB攝像頭采集視頻數據，然后視頻數據通過RT5350芯片對其進行初步處理傳到以太網。首先對待傳輸的視頻數據進行壓縮編碼，當客戶端發送請求后，服務器端將視頻數據通過WiFi網絡返回給客戶端[7]。網絡通信校驗部分基于HTTP通信協議，需先比對IP地址和端口號來獲取視頻數據，然后使用WiFi網絡將視頻數據傳送到遠端的接收設備[7]。

3.3 控制端軟件開發

本設計采用Visual C++6.0運用MFC進行界面菜單和對話框的設計，在MFC中，對資源的操作通常都是通過一個與資源相關的類來完成的。因此需要創建一個類與要調用的子對話框相關聯（或者也可以選擇程序中已有的一個類與之相關聯）[8]：

CTanChuDlg*pdlg=newCTanChuDlg（）；

pdlg-＞Create（CTanChuDlg::IDD，this）；

pdlg-＞ShowWindow（SW_SHOW）；

將按鈕的背景位圖通過添加對話框背景的方式導入資源視圖，然后給按鈕添加背景圖片，制作出界面的應用圖片，依照程序及MFC界面的不同功能進行圖片的反復定位[8]。通過以上的基礎工作，整合實現了軟件界面的設計，應用界面如圖3所示。

圖3 應用界面

4 結語

本系統采用電腦控制端進行顯示，界面中實時顯示各樓層是否用電以及用電情況，并提供視頻查看入口，當出現人走未斷電的情況時可遠程控制其斷電。本設計充分發揮了ZigBee設備低成本、低功耗、體積小的優勢，使用節點覆蓋整個樓棟，采集各點用電信息，實現了用電設備實時控制，電路故障區域的鎖定功能，并利用節點間的無線傳輸性能實現了數據的遠程采集與分析，及時控制電路通斷，確保了用電安全。