滕志軍，張明儒，許建軍，郭素陽(yáng)

（東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 132012）

隨著小家電的快速普及，在大學(xué)宿舍經(jīng)?？吹酱碉L(fēng)機(jī)、熱得快、電飯煲等大功率電器設(shè)備，輕則引起電路短路跳閘，重則會(huì)引起火災(zāi)，目前學(xué)生宿舍消防安全面臨嚴(yán)峻形勢(shì)[1]。實(shí)時(shí)安全防護(hù)是保障學(xué)生安全的基本保障，為此越來(lái)越多的學(xué)校在宿舍安裝了限電控制器，但是采用獨(dú)立、不能聯(lián)網(wǎng)的限電控制器，若宿舍斷電后，宿舍管理員需到電房手動(dòng)恢復(fù)用電，給宿舍管理員的工作帶來(lái)諸多不便[2-3]。傳統(tǒng)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(huán)境溫濕度等因素影響使用壽命短，需要經(jīng)常對(duì)通信線路進(jìn)行維護(hù)[4-5]。

針對(duì)學(xué)生宿舍出現(xiàn)大功率違章電器和學(xué)校限電管理不足問(wèn)題，本文提出基于ZigBee的學(xué)生宿舍智能限電控制系統(tǒng)。智能終端以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，選用低功耗的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集電氣參數(shù)，采用3G無(wú)線通信模塊，在運(yùn)行中系統(tǒng)分布的ZigBee節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電氣參數(shù)的在線檢測(cè)，實(shí)時(shí)功率超過(guò)預(yù)設(shè)值或使用惡性負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)切斷電源，去除超額負(fù)載后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)宿舍供電。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)線通信所需要的一系列通信協(xié)議，所使用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工作頻段為868 MHz、915 MHz和2.4 GHz，最大數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率等特點(diǎn)[6-10]。Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備主要由協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端節(jié)點(diǎn)（End Device）組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星型、網(wǎng)型和樹(shù)型[11-12]。ZigBee協(xié)議采用分層的思想分為物理層（PHY）、介質(zhì)訪問(wèn)層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用程序支持子層（APS）和應(yīng)用層（APL）。ZigBee主要應(yīng)用在短距離無(wú)線控制系統(tǒng)，傳輸少量的控制信息，例如在工業(yè)控制、智能家居和商業(yè)樓宇自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能限電控制系統(tǒng)由檢測(cè)終端、智能終端和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心3部分組成。檢測(cè)終端包括ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、微處理器STC89C52單片機(jī)、控制部分、電源模塊和功率測(cè)量模塊。智能終端包括ARM微處理器、ZigBee協(xié)調(diào)器、電源模塊和3G無(wú)線通信模塊。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心包括主機(jī)和存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)等。

檢測(cè)終端主要實(shí)現(xiàn)功率參數(shù)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，包括電流和電壓參數(shù)，并且通過(guò)編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)宿舍實(shí)時(shí)功率（P=UI）的檢測(cè)，將檢測(cè)的功率參數(shù)通過(guò)Zig-Bee終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絑igBee路由器，最終傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器。如果超過(guò)預(yù)設(shè)的功率或使用惡性負(fù)載，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用控制模塊的繼電器切斷宿舍電源，去除超額負(fù)載后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)宿舍供電。

智能終端主要實(shí)現(xiàn)將接收到的實(shí)時(shí)功率參數(shù)通過(guò)3G模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。ZigBee協(xié)調(diào)器接收到的功率參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM處理器，3G無(wú)線通信模塊通過(guò)TCP/IP建立網(wǎng)絡(luò)連接，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心主機(jī)顯示屏實(shí)時(shí)地顯示各個(gè)宿舍的實(shí)時(shí)功率參數(shù)（電壓、電流和功率），并且將檢測(cè)的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 System framework map

3 檢測(cè)終端設(shè)計(jì)

檢測(cè)終端主要包括電源模塊、微處理器模塊、功率測(cè)量模塊、控制模塊和ZigBee模塊。功率測(cè)量模塊通過(guò)P1口、控制模塊通過(guò)P2口、ZigBee模塊通過(guò)P3.0和P3.1分別與單片機(jī)芯片進(jìn)行通信，檢測(cè)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(chǎn)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(chǔ)器。STC89C52有4個(gè)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(shù)碼管和LCD液晶顯示屏。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

3.2 功率測(cè)量模塊

功率測(cè)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(cè)量模塊通過(guò)串行外設(shè)接口SPI與單片機(jī)STC89C52相連接。電流傳感器選用GY-712，工作溫度范圍為-40℃～85℃，測(cè)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(qiáng)的抗干擾能力等特點(diǎn)。電壓傳感器選用LV25-P，能夠測(cè)量交直流電壓，額定電壓范圍為10 V～500 V，具有較強(qiáng)抗干擾能力、低溫度漂移、高帶寬和高精度等特點(diǎn)。

3.3 控制模塊

當(dāng)宿舍實(shí)時(shí)功率超過(guò)預(yù)設(shè)的功率時(shí)，單片機(jī)芯片通過(guò)P2口向控制模塊發(fā)送控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路放大驅(qū)動(dòng)信號(hào)，瞬間將繼電器從ON到OFF切斷電源。另外，在繼電器兩側(cè)加1個(gè)二極管，不但可以產(chǎn)生反向電壓驅(qū)動(dòng)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(xié)議的單片機(jī)CC2530芯片，相應(yīng)的協(xié)議棧Z-Stack。CC2530-EB開(kāi)發(fā)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(kuò)展接口組成。ZigBee模塊采用電源電壓為3.3 V，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采用樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.5 電源模塊

電源模塊主要是通過(guò)電壓變換電路將5 V電壓轉(zhuǎn)變成3.3 V、1.8 V和1.2 V電壓，該系統(tǒng)使用LM1117芯片將電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V和1.8 V，使用MAX8860EUA18芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成1.2V電壓。

3.6 檢測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)流程

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)是基于ZigBee協(xié)議棧ZStack，IAR Embedded Workbench開(kāi)發(fā)環(huán)境用于軟件的編寫(xiě)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)搜索協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)所建立的網(wǎng)絡(luò)，如果搜索網(wǎng)絡(luò)成功之后，連接網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入休眠狀態(tài)，通過(guò)中斷喚醒，將實(shí)時(shí)采集的功率參數(shù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

實(shí)時(shí)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(fù)載（熱得快、吹風(fēng)機(jī)和電飯煲等）。惡性電阻性負(fù)載大部分最小功率都大于600 W，考慮學(xué)生均使用筆記本電腦，6臺(tái)筆記本電腦同時(shí)開(kāi)機(jī)，線路一般不會(huì)超過(guò)600 W。這只是近似判斷，應(yīng)該判斷功率因數(shù)（有功功率與視在功率的比）才可以準(zhǔn)確地判斷是不是增加惡性負(fù)載，電阻性負(fù)載功率因數(shù)為1，在這里間接地認(rèn)為如果使用惡性負(fù)載，會(huì)造成線路的總功率瞬間猛增。

STC89C52芯片使用的開(kāi)發(fā)環(huán)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(jī)芯片里面。微處理器每隔1 s通過(guò)中斷獲取電氣參數(shù)，并且通過(guò)程序計(jì)算出實(shí)時(shí)功率，對(duì)收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)加以判斷，當(dāng)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(fù)載，將啟動(dòng)控制模塊的繼電器，直接切斷電源，去除超額負(fù)載后，通過(guò)控制模塊恢復(fù)宿舍供電。反之，總功率不超過(guò)800 W，則認(rèn)為無(wú)惡性負(fù)載，檢測(cè)終端流程圖如圖3所示。

圖3 檢測(cè)終端流程圖Fig.3 Flow chart of detect terminal

4 智能終端設(shè)計(jì)

智能終端主要包括ZigBee協(xié)調(diào)器、ARM微處理器、3G模塊和電源模塊。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊和3G模塊分別通過(guò)串口UART1和UART2進(jìn)行通信，其中ZigBee協(xié)調(diào)器與ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采用的都是CC2530芯片，電源模塊與檢測(cè)終端電源模塊相同，都是將5 V電壓轉(zhuǎn)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(chǎn)的S3C2410A芯片，使用了ARM公司的ARM920T內(nèi)核，采用了稱(chēng)為先進(jìn)微處理器總線結(jié)構(gòu)AMBA（advanced microController Bus Architecture）。內(nèi)部包含2個(gè)協(xié)處理器、單獨(dú)16 KB指令cache和MMU、單獨(dú)16 KB數(shù)據(jù)cache和MMU等；產(chǎn)生對(duì)SDRAM/Nor Flash/SRAM存儲(chǔ)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(fā)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(huán)（PLL）的片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)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(wú)線通信模塊

3G無(wú)線通信模塊采用的是華為公司生產(chǎn)的MU509（UMTS/HSDPA 2100 MHz GSM/GPRS/EDGE 850/900/1800/1900 MHz）通訊模塊，是雙頻WCDMA工業(yè)級(jí)無(wú)線模塊，支持3.6 Mb/s下行速率；提供高質(zhì)量的語(yǔ)音、短信功能，F(xiàn)OTA功能，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，以及華為擴(kuò)展AT命令集。MU509有8個(gè)wire UART。采用標(biāo)準(zhǔn)RS232串行接口，支持語(yǔ)音數(shù)據(jù)以及短消息（SMS）的接收、發(fā)送以及對(duì)短信的管理，支持TCP/IP、PPP protocol通信協(xié)議。通過(guò)調(diào)用AT指令來(lái)控制3G模塊，嵌入式ARM微處理器可以借助3G無(wú)線通信模塊強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)時(shí)地進(jìn)行信息處理。MU509的數(shù)據(jù)輸入、輸出接口實(shí)際上是一個(gè)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(shè)計(jì)流程

基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)Red Hat6.3，選用ARM S3C2410A處理器，來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的通信。實(shí)時(shí)的電氣參數(shù)電壓和電流等數(shù)據(jù)都是采用中斷的方式獲取和經(jīng)過(guò)多線程處理。3G模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心通信協(xié)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(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要是組建網(wǎng)絡(luò)，接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到3G無(wú)線通信模塊。

5 測(cè)試結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性，系統(tǒng)硬軟件調(diào)試之后，在校園宿舍進(jìn)行測(cè)試，ZigBee節(jié)點(diǎn)采用樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)宿舍放置一個(gè)檢測(cè)終端 （內(nèi)含1個(gè)ZigBee終端采集節(jié)點(diǎn)），系統(tǒng)中設(shè)置最大安全功率為800 W和無(wú)負(fù)載時(shí)實(shí)時(shí)功率與前1 s功率之差不超過(guò)600 W，在宿舍樓的101、201、301和401宿舍進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，其中101、201宿舍電器設(shè)備總功率不超過(guò)800 W，301使用惡性負(fù)載吹風(fēng)機(jī)但不超過(guò)800 W，401總功率超過(guò)800 W。使用面向?qū)ο驝++Qt Creator遠(yuǎn)程顯示結(jié)果，實(shí)時(shí)電氣參數(shù)界面刷新頻率為1 Hz。

圖5為學(xué)生宿舍遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)結(jié)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(guò)預(yù)設(shè)的安全功率800 W，因此符合設(shè)定的最大安全值，電器設(shè)備運(yùn)行正常，雖然301宿舍不超過(guò)800 W，但使用惡性電阻性負(fù)載，不能正常運(yùn)行。401宿舍未使用惡性負(fù)載，但總功率超過(guò)800 W，仍然不能正常運(yùn)行。

圖5 學(xué)生宿舍遠(yuǎn)程測(cè)試結(jié)果Fig.5 Dormitories remote test result

圖6為宿舍每天用電量統(tǒng)計(jì)曲線。從曲線中可以看出1月10號(hào)（周六）和1月11號(hào)（周日）宿舍用電量劇增。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試該系統(tǒng)，丟包率、誤包率和誤判率都在0.3%以?xún)?nèi)。另外，本系統(tǒng)選用3G無(wú)線通信模塊，受到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不穩(wěn)等因素，實(shí)時(shí)的電氣參數(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(jié)語(yǔ)

本文研究了宿舍功率參數(shù)（電壓、電流）的采集、處理，3G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸，多線程處理等關(guān)鍵技術(shù)。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(tǒng)，結(jié)合ZigBee模塊、3G模塊、功率測(cè)量模塊、控制模塊和電源模塊，在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心實(shí)現(xiàn)了對(duì)宿舍功率參數(shù)檢測(cè)和因使用惡性負(fù)載超過(guò)最大安全功率自動(dòng)跳閘、自動(dòng)恢復(fù)的功能，延時(shí)誤差較小。該系統(tǒng)具有安裝簡(jiǎn)單、功耗小、功能強(qiáng)大和極具實(shí)用性等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。考慮本系統(tǒng)出現(xiàn)的不足，下一階段的工作主要是改善負(fù)載識(shí)別方法、降低系統(tǒng)檢測(cè)延時(shí)和降低ZigBee節(jié)點(diǎn)的功耗。

[1]田擁軍，趙光強(qiáng).基于ZigBee的智能用電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)儀器儀表，2011（4）：35-38.

[2]楊軼杰，張軍.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的高校宿舍消防報(bào)警系統(tǒng)的研究[J].傳感器世界，2013，19（5）：25-29.

[3]楊黎，楊琳芳，吳宗澤.基于ZigBee技術(shù)的智能限電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2014，33（7）：65-68.

[4]Huang Li chien，Chang Hong chan，Chen Cheng chung，et al.A ZigBee based monitoring and protection system for building electrical safety[J].Energy and Buildings，2011（43）：1418-1426.

[5]Spertino F，Corona F.Monitoring and checking of performance in photovoltaic plants：A tool for design，installation and maintenance of grid-connected systems[J].Renewable Energy，2013（60）：722-732.

[6]周軍，史興才，徐超.基于 ZigBee的多用戶(hù)智能電表設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2010，47（1）：57-61.

[7]滕志軍，李國(guó)強(qiáng)，何鑫，等.基于ZigBee的高壓電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表，2014，51（1）：85-88.

[8]朱俊光，高健，田俊，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（11）：94-96，103.

[9]郭耀華.基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)的智能變電站設(shè)備溫度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（1）：79-82.

[10]Cemal Keles，Abdulkerim Karabibe.A smart building power management concept：Smart socket applications with DC distribution[J].Electrical Power and Energy Systems，2015（64）：679-688.

[11]晏勇，周相兵.智能家居自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，36（11）：215-220.

[12]Farihah Shariff，Nasrudin Abd Rahima，Hew Wooi Pinga.Zigbee based data acquisition system for online monitoring of grid connected photovoltaic system[J].Expert Systems with Applications，2015（42）：1730-1742.