孟洋

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410004）

基于Zigbee的實(shí)時(shí)能源監(jiān)控和控制系統(tǒng)

孟洋

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410004）

提出一個(gè)基于Zigbee的能源管理系統(tǒng)，由兩個(gè)主要組件構(gòu)成：無線傳感網(wǎng)絡(luò)和智能家居網(wǎng)關(guān)。通過智能家居網(wǎng)關(guān)，無線傳感器感知和傳輸電力數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制家用電器；通過網(wǎng)絡(luò)和移動設(shè)備，節(jié)能系統(tǒng)允許用戶監(jiān)測和控制家用電器。

家居網(wǎng)絡(luò)；能源管理；監(jiān)控；Zigbee

1.引言

在工業(yè)以及住宅領(lǐng)域，能源效率問題變得越來越重要。日常生活中，若整合傳感器、執(zhí)行器、計(jì)算設(shè)備等，對提高能源效率方面有很大的潛力。然而，由于計(jì)算設(shè)備的復(fù)雜性和多樣性，節(jié)能與計(jì)算集成仍處于起步階段，將每個(gè)新設(shè)備添加到系統(tǒng)中還需要大量的工作。需要集成哪些設(shè)備，智能家居開發(fā)人員需要配置和設(shè)置接口，然后將設(shè)備連接和集成起來，而實(shí)現(xiàn)能源效率不僅僅是連接設(shè)備。智能家居環(huán)境利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺，整合眾多不同的設(shè)備，這些設(shè)備應(yīng)配合其他設(shè)備，獨(dú)立為用戶提供智能服務(wù)。同時(shí)，信息在各種不同設(shè)備中必須共享和連接，以構(gòu)建有效的智能服務(wù)。因計(jì)算設(shè)備制造商使用許多不同的通信協(xié)議，因此，家用電器(白色家電)的集成和消費(fèi)電子產(chǎn)品不是簡單整合到傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺。此外，除了集成的技術(shù)難題，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，用戶通常不能完全理解系統(tǒng)。充分利用智能家居技術(shù)，能源管理系統(tǒng)應(yīng)該透明集成所有家用電器，并提供所有重要的信息，為用戶提供能源節(jié)約和方便。為此，我們提出使用基于Zigbee的傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源管理系統(tǒng)和智能家居網(wǎng)關(guān)。該系統(tǒng)不斷感知和更新電力數(shù)據(jù)，為用戶提供實(shí)時(shí)電量信息，用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制家用電器。

2.研究現(xiàn)狀

早在2008年美國西太平洋國家能源實(shí)驗(yàn)室提出的“電網(wǎng)友好”技術(shù)[1]，包括電網(wǎng)友好的頻率響應(yīng)、電壓響應(yīng)和價(jià)格響應(yīng)技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)來建設(shè)智能電網(wǎng)的技術(shù)應(yīng)用在家居控制裝置和自動控制家居用能的管理系統(tǒng)。住宅智能電網(wǎng)和電力管理家居網(wǎng)絡(luò)[2,3,4]使用電力和通訊網(wǎng)絡(luò)[5]，智能電網(wǎng)測量和遠(yuǎn)程讀取智能電表，它提供了實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)的信息消費(fèi)數(shù)據(jù)。然而，在智能電網(wǎng)的智能計(jì)量中，大多數(shù)的系統(tǒng)和項(xiàng)目只是專注于測量能源消耗的總量，提供通信基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)。如果能夠測量或監(jiān)控每個(gè)家居設(shè)備的用電量，并提供更好的智能服務(wù)，如跟蹤能耗、統(tǒng)計(jì)分析和基于規(guī)則的配置，在家居網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，使用傳感器網(wǎng)絡(luò)，收集能源消耗的數(shù)據(jù)，使用多個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測和控制功耗，那么我們的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能源計(jì)量和控制系統(tǒng)。本文提出的系統(tǒng)包括能源管理和控制服務(wù)，系統(tǒng)集中部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、實(shí)施能源管理和控制，并把智能家居服務(wù)作為原型服務(wù)。

3.能源監(jiān)測和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 相關(guān)理論

圖1顯示了基于Zigbee的實(shí)時(shí)能源監(jiān)控和控制系統(tǒng)的概念和電力能源管理系統(tǒng)的一個(gè)通用框架。

圖1 (a)系統(tǒng)的概念 (b)總體系統(tǒng)架構(gòu)

ZigBee通信協(xié)議是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信協(xié)議[6]。工作在2.4GHz的ISM頻段上。家居網(wǎng)絡(luò)可以用傳統(tǒng)的有線和無線通信接口(如以太網(wǎng))，如IEEE 1394，wi-fi，PLC(電力線通信)和藍(lán)牙。因無線網(wǎng)絡(luò)接口容易部署和安裝，是通信的首選。此外，相比其他協(xié)議，Zigbee有最大數(shù)量的單元節(jié)點(diǎn)。例如，藍(lán)牙單元節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量只有8節(jié)點(diǎn)，而Zigbee可多達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)[7]。

3.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括三個(gè)技術(shù)組件，即信息采集、信息處理和信息展示，如圖1所示(b)。

信息采集模塊為無線傳感器系統(tǒng)。無線傳感器系統(tǒng)主要有三個(gè)部分：控制器與ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、Zigbee收發(fā)器和傳感單元。無線傳感器用來測量交流和控制電源插座，這些傳感器獨(dú)立于家用電器或電子產(chǎn)品，還要在傳統(tǒng)的電源插座和電子產(chǎn)品之間設(shè)計(jì)額外的傳感器，為開關(guān)控制和提供有限的服務(wù)。

信息處理模塊采用Zigbee通信協(xié)議，傳感器測量電子產(chǎn)品(如家用電器)的實(shí)際功耗，并傳輸這些信息。信息處理模塊接收到的功耗信息和開/關(guān)狀態(tài)，并將它們存儲到一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，響應(yīng)用戶的請求和能耗監(jiān)測信息。

信息展示模塊應(yīng)用智能交互終端技術(shù)。家庭智能用電服務(wù)的關(guān)鍵設(shè)備，通過利用先進(jìn)的信息通信技術(shù)，對家庭用電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控與管理，對家庭用電信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，指導(dǎo)用戶進(jìn)行合理用電。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)錁?gòu)造，數(shù)據(jù)處理模塊通過Zigbee通信接口從每個(gè)傳感器接收電力消耗的信息,然后將這些信息存儲在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中,并響應(yīng)來自用戶的請求。web服務(wù)器接收用戶的服務(wù)請求和傳送請求到子模塊組件。系統(tǒng)的最終目標(biāo)是為用戶提供智能服務(wù)，如跟蹤能耗、價(jià)格比較、統(tǒng)計(jì)分析，基于規(guī)則的配置，所有這些服務(wù)可以在這個(gè)模塊中實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)原型有兩個(gè)應(yīng)用程序或服務(wù)，監(jiān)測電力消耗和遠(yuǎn)程開/關(guān)控制，如果設(shè)備消耗的電能比往常不一樣，它可以給用戶一個(gè)警報(bào)，通過遠(yuǎn)程開/關(guān)服務(wù)，用戶可以打開和關(guān)閉家用電器。

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

無線傳感器有三個(gè)技術(shù)組件，單片機(jī)(微控制器單元)與ADC，傳感單元和Zigbee收發(fā)器。傳感器是傳感網(wǎng)的最重要的部分，傳感器ACS712用來測量交流。測試了100瓦特到1000瓦特的傳感器負(fù)載，在這個(gè)測試中，假設(shè)功率因數(shù)為1，SMPS(開關(guān)模式電源)供電集成，這意味著它不需要直流電池，包括一個(gè)繼電器遠(yuǎn)程開/關(guān)控制、一個(gè)Zigbee與USB接口連接到電腦，這是一個(gè)智能家居網(wǎng)關(guān)。應(yīng)用程序獨(dú)立于操作系統(tǒng)，用Java實(shí)現(xiàn)。傳入的數(shù)據(jù)包括每個(gè)傳感器設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)、功耗和一個(gè)獨(dú)特的傳感器ID。將接收的數(shù)據(jù)存儲到SQL數(shù)據(jù)庫中，供以后在網(wǎng)絡(luò)接口或移動應(yīng)用程序中使用。在程序上實(shí)現(xiàn)了Java VM(虛擬機(jī))系統(tǒng)，我們將基于OSGi(Open Service Gateway Initiative，面向Java的動態(tài)模型系統(tǒng))的中間件集成到的系統(tǒng)。作為一個(gè)原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩種服務(wù)，監(jiān)控和遠(yuǎn)程開/關(guān)控制，用戶可以從網(wǎng)絡(luò)接口或移動應(yīng)用程序打開/關(guān)閉設(shè)備。

4.結(jié)論

居家或建筑的電力消費(fèi)首先要考慮的是節(jié)能，監(jiān)測和控制能源消耗采用替代能源和普遍的技術(shù)能減少能源需求。反饋能源消耗和控制家用電器，可以激勵和鼓勵用戶改變他們的能源使用行為，如關(guān)燈或減少熱量，這些小的行為的改變會帶來顯著的能源節(jié)省。運(yùn)用系統(tǒng)，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制實(shí)時(shí)用電和其他移動設(shè)備，如智能手機(jī)。未來的工作將集中在擴(kuò)大當(dāng)前系統(tǒng)，包括以下功能:家電自動檢測，電器的自動識別和檢測設(shè)備的位置對開發(fā)高效的能源管理系統(tǒng)很重要，自動檢測設(shè)備可以提供簡單、可用的服務(wù)和設(shè)備的位置信息；基于電力消耗的數(shù)據(jù)，可以用來推斷用戶的當(dāng)前或未來的行為。

[1]劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010.9.

[2]B.Botte,V.Cannatelli，and S.Rogai.The Telegestore project in Enel’s metering system[M].In Proc.Int.Conf.on Electricity Distribution(CIRED)，2005.

[3]Korea Smart Grid Institute[EB/OL].http://www.smartgrid.or.kr， 2014-06-12.

[4]MeRegi.http://www.im.uni-karlsruhe.de/Default.aspx?PageId= 470&lang=en,2014-06-18.

[5]European Commision:Eoruopean Smart Grids Technology Platform.European Communities,2006.

[6]Kinney P.ZigBee technology：wireless control that simply works [EB/OL].http://www.hometoys.com/htinews/oct03/articles/kinney/zig bee.Htm,2004-08-30.

[7]J.Lee，Y.Su，and C.Shen.A Comparative Study of Wireless Protocols[C].Blutooth,UWB,ZigBee,and Wi-Fi.The 33rd annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society(IECON),Nov. 5-8(2007).

TP277

A

1671-5136(2014)04-0127-02

2014-09-22

孟洋，女，長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院教師。