楊林靖，張恩迪，周云科

(湖南大學(xué)微納光電器件及應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410082)

基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊林靖，張恩迪，周云科

(湖南大學(xué)微納光電器件及應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410082)

針對(duì)家庭用電設(shè)備可能引發(fā)火災(zāi)隱患的情況，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭電源監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)到服務(wù)器，設(shè)計(jì)了基于C/S和B/S兩種通信方式，可滿足一般家庭對(duì)于用電安全方面的需求。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、交互界面友好。

物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式；C/S；B/S；電源監(jiān)控

目前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和智能技術(shù)使得家居生活正在朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。同時(shí)，越來越多的電器進(jìn)入到普通家庭中。然而用電設(shè)備的逐漸增多導(dǎo)致電源系統(tǒng)存在引發(fā)火災(zāi)等安全隱患，使得家庭的電源監(jiān)控需滿足實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、快速響應(yīng)性等特點(diǎn)[1-3]。另一方面，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)已逐漸被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，其利用網(wǎng)絡(luò)將分布不同的電子設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與信息的遠(yuǎn)程交互，以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制的目的。本文根據(jù)這兩方面，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭電源監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過Zigbee進(jìn)行組網(wǎng)構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)采集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測區(qū)域的控制。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

家庭電源監(jiān)控系統(tǒng)主要由下位機(jī)、上位機(jī)和客戶端三大部分組成。下位機(jī)主要包括Zigbee模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、鍵盤模塊以及各類傳感器等，其實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集與對(duì)遠(yuǎn)程控制的響應(yīng)等；上位機(jī)主要是指ARM服務(wù)器，其實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集、處理以及控制，同時(shí)根據(jù)客戶端的命令進(jìn)行響應(yīng)。

為得到家庭內(nèi)部電源設(shè)備的有效信息，需在相應(yīng)地點(diǎn)安放傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器包括電壓變送器、電流變送器、溫濕度傳感器以及感煙探測器和門磁開關(guān)等。將傳感器按順序編號(hào)，分時(shí)掃描發(fā)送。多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)Zigbee自組網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳送至ARM服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理和儲(chǔ)存，供用戶端查看數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選擇與硬件設(shè)計(jì)

電壓變送器和電流變送器采用三組合交流電壓和電流變送器。變送器是直接從負(fù)載取得信號(hào)，其輸入線不能短路，為此要在輸入端安裝保險(xiǎn)；溫濕度傳感器采用的是AM2303數(shù)字溫濕度傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，有可靠性與長期穩(wěn)定性等特點(diǎn)；感煙探測器是利用放射性元素產(chǎn)生射線，使空氣電離從而產(chǎn)生微電流來檢測空氣中是否有煙，其采用型號(hào)JTY-Z-983K；門磁開關(guān)就是一個(gè)干簧管，由兩個(gè)靠得很近的金屬彈簧片構(gòu)成。其中，電壓變送器和電流變送器及其配置曲線圖如圖2所示。系統(tǒng)選用CC2530芯片，通過星型結(jié)構(gòu)組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，降低設(shè)備成本，方便管理。

2.2 上位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)采用基于ARM11架構(gòu)的16/32位微處理器——S3C6410微處理器，該處理器是由三星公司生產(chǎn)的。S3C6410微處理器設(shè)計(jì)主頻從350 MHz到1 GHz，采用45或65 nm工藝技術(shù)制造，可針對(duì)應(yīng)用場合的不同提供各種高性能、低功耗的方案。另外，它采用了諸多先進(jìn)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)、媒體處理和實(shí)時(shí)應(yīng)用等方面顯現(xiàn)出更佳的用戶體驗(yàn)，常用于較高端的電子產(chǎn)品中，如智能手機(jī)、移動(dòng)多媒體設(shè)備等[4]。系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建如圖3所示。

圖2 配置曲線圖

圖3 上位機(jī)硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信號(hào)通過Zigbee無線傳輸，因傳感器數(shù)量比較多，需避免各類數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，免沖突載波檢測多路接入)算法是Zigbee關(guān)鍵技術(shù)之一，它分為時(shí)隙型與非時(shí)隙型，系統(tǒng)采用時(shí)隙型CSMA/CA算法。算法中各節(jié)點(diǎn)通過競爭獲得信道訪問權(quán)，當(dāng)需發(fā)送數(shù)據(jù)而信道被占用時(shí)，就偵聽直到信道空閑。為使監(jiān)控效率達(dá)到最高，系統(tǒng)將BE的初始值設(shè)置為一個(gè)隨機(jī)值。在每個(gè)時(shí)隙分組中，BE值按照一定規(guī)律變化，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)訪問信道時(shí)能隨機(jī)選取各自的避退時(shí)間，降低重合概率。完整的超幀周期的競爭期有16個(gè)時(shí)隙，分別是0～15，將其分為8組，因此，BE的值不得超過8。設(shè)置避退次數(shù)為，當(dāng)超過時(shí)放棄發(fā)送。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

ARM服務(wù)器采用visual studio軟件設(shè)計(jì)，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。一方面對(duì)采集到的信息進(jìn)行匯總處理并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫選用與visual studio嵌套的Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫，該平臺(tái)含有豐富的程序接口，支持Web以及客戶端/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。將每天監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)表中，該數(shù)據(jù)表以當(dāng)天的日期命名。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要是設(shè)備工作信息、實(shí)時(shí)監(jiān)控信息和歷史監(jiān)控信息等。另一方面處理客戶端控制命令，對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制?？蛻舳税l(fā)送的控制命令包括對(duì)電源設(shè)備進(jìn)行開關(guān)和數(shù)據(jù)查詢命令。

其次還需對(duì)服務(wù)器與客戶端的通信進(jìn)行設(shè)計(jì)，套接字經(jīng)常應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信方面。MFC(Microsoft Foundation Class)對(duì)SOCKET編程的支持很充分，它提供CAsyncSocket和CSocket兩種方式。前者是異步非阻塞通信，后者是同步阻塞通信。因系統(tǒng)監(jiān)控的數(shù)據(jù)較多，選擇CAsyncSocket通信方式。進(jìn)行通信時(shí)，首先要進(jìn)行初始化，包括變量的定義、創(chuàng)建服務(wù)器、客戶端以及監(jiān)聽套接字和綁定通信地址；其次通過線程函數(shù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)接收線程；最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3.3 客戶端訪問軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C/S(Client/Server，客戶端/服務(wù)器)方式和B/S (Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器)方式進(jìn)行訪問。前者可充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，合理分配任務(wù)到兩端，降低通訊成本。但是操作系統(tǒng)不同，需開發(fā)的客戶端軟件不同，且局限于局域網(wǎng)。系統(tǒng)中，客戶端是聯(lián)入局域網(wǎng)的用戶工作電腦。它不能夠隨時(shí)隨地查看監(jiān)控信息。而后者彌補(bǔ)了這個(gè)不足，它可以在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝任何專門的軟件。當(dāng)需要調(diào)用監(jiān)控信息時(shí)，只要使用一個(gè)安裝瀏覽器的上網(wǎng)終端即可。系統(tǒng)采用這兩種方式相結(jié)合，達(dá)到了對(duì)電源的有效監(jiān)控。

在界面設(shè)計(jì)方面，選擇visual studio中的C++項(xiàng)目軟件對(duì)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。它是面向用戶圖形界面的比較流行的Windows程序設(shè)計(jì)語言。系統(tǒng)界面主要分為：登陸界面、系統(tǒng)主界面、數(shù)據(jù)曲線顯示界面、歷史數(shù)據(jù)界面部分。

圖4 系統(tǒng)測試結(jié)果圖

表1 客戶端測試結(jié)果

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)置每一秒采集一次數(shù)據(jù)，并在界面更新顯示。通過上網(wǎng)設(shè)備登錄web頁面，輸入服務(wù)器對(duì)應(yīng)的IP地址，即可進(jìn)入監(jiān)控主界面，如圖4所示。同時(shí)，在工作電腦打開客戶端應(yīng)用程序，可打印監(jiān)測數(shù)據(jù)表，如表1所示，其中node表示節(jié)點(diǎn)號(hào)，表示電壓(V)，表示電流(A)，表示溫度(℃)，表示濕度(%)，表示煙霧(%)。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭電源監(jiān)控系統(tǒng)，從軟硬件兩方面介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。采用C/S和B/S兩種訪問方式，有效地對(duì)電源設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)系統(tǒng)具有靈活性、可擴(kuò)展性，最大限度地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求。

[1]顏慧．家用小型電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].大眾科技，2010 (3):13.

[2]郭凱東，張東來，蘇光明.嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ在通信電源監(jiān)控中應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2005,25(4):69.

[3]廖磊.通信電源集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué)，2000:11.

[4]王昊.移動(dòng)終端的wifi無線通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：東南大學(xué)，2010:13.

Supply of household power monitoring based on Internet of things

Aiming at situation current that Household electric equipment could cause a hidden hazard of fire,a supply of power monitoring system based on Internet of things was designed.Embedded Technology was taken by the system,then the datas were sending underground to the server.Access method based on both C/S and B/S was designed.The needs of using electricity safely in the family could be satisfied.The experimental results show that this system is stable,reliable and human-computer interface friendly.

Internet of things;embedded;C/S；B/S;supply of power monitoring system

TM 925

A

1002-087 X(2015)10-2272-03

2015-03-22

楊林靖(1988—)，女，山東省人，碩士生，主要研究方向?yàn)橹悄茈娮蛹皯?yīng)用；導(dǎo)師：張恩迪(1964—)，男，湖南省人，研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹悄茈娮优c系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)。