劉孝趙， 陳志峰

(蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215009)

0 引 言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)水平的提高，大學(xué)生各種電子產(chǎn)品也越來越多，宿舍用電設(shè)備也隨之增多，涉及用電安全和節(jié)約能源也成為必要考慮的因素［1-2］。因此，高校管理部門應(yīng)該對宿舍各種電氣設(shè)備用電電流及用電時間進(jìn)行管理和控制。本文將采用ZigBee 技術(shù)的無線傳輸對宿舍用電進(jìn)行采集并管控，建立能耗管控智能化服務(wù)系統(tǒng)，對學(xué)生宿舍內(nèi)用電監(jiān)控進(jìn)行更深入的研究，切實提高節(jié)電的效果［3］。每個用電單元都被安裝有一個電能計量儀表，通過ZigBee 無線技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳送到集中器，然后通過網(wǎng)絡(luò)保存到數(shù)據(jù)庫中，將校區(qū)宿舍的所有關(guān)鍵點(diǎn)都進(jìn)行計量采集匯總統(tǒng)計后，即可以迅速掌握用電的情況，以及漏電情況等，這樣通過對宿舍的合理用電來節(jié)約資源，通過堵漏來避免浪費(fèi)，實現(xiàn)節(jié)電，同時，如果宿舍使用大功率用電器，后臺將進(jìn)行實時斷電，并讓宿舍管理員及時查找違章使用電器，可以避免安全事故。

1 Zigbee 技術(shù)

ZigBee 技術(shù)是一種新興的短距離、低功耗、低速率的無線通信技術(shù)［4］。它是基于IEEE802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)而研發(fā)的技術(shù)，主要用于近距離無線通信系統(tǒng)［5］。非常適合用于家庭監(jiān)測、工業(yè)控制、傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面［6］。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳輸速率一般是10 ～240 KB/s［7］。它采用了防碰撞機(jī)制，用戶不需要擔(dān)心數(shù)據(jù)碰撞融合的情況出現(xiàn)。傳輸過程中數(shù)據(jù)采用了加密算法，這樣大大提高了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性［8］。它的協(xié)議是開放式的，無需專利費(fèi)，這樣我們利用ZigBee 技術(shù)組網(wǎng)的成本將大大降低［9］。它具有很好的自動組網(wǎng)能力，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以通過協(xié)調(diào)器進(jìn)行多種形式的組網(wǎng)［10］。ZigBee 通信十分靈敏，延時時間一般被控制在15 ～30 ms 之間。且ZigBee 網(wǎng)絡(luò)容量比較大，范圍廣，工作頻率改變十分便捷。

ZigBee 協(xié)議可以分為四個層次結(jié)構(gòu)，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中最底層是物理層，在物理層之上時數(shù)據(jù)鏈路層，且這兩層都是由IEEE802.15.4 定義的，與其硬件相關(guān)度最大［11］。距離數(shù)據(jù)鏈路層最近的就是網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層之上就是應(yīng)用層，且這兩層是由ZigBee 聯(lián)盟定義的［12］。物理層最接近硬件，直接控制無線收發(fā)器，數(shù)據(jù)鏈路層提供數(shù)據(jù)服務(wù)與管理服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層提供了一些確保數(shù)據(jù)鏈路層正常工作的函數(shù)庫，并且為應(yīng)用層提供服務(wù)接口，應(yīng)用層最接近用戶，為網(wǎng)絡(luò)層提供了服務(wù)接口，并且給用戶定義應(yīng)用對象。一個基于ZigBee 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的傳感網(wǎng)絡(luò)最多可以擁有65 000 多個節(jié)點(diǎn)，因此這項技術(shù)適合學(xué)生宿舍大規(guī)模傳感節(jié)點(diǎn)的部署。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

宿舍無線管理采集系統(tǒng)主要由電能計量模塊(數(shù)據(jù)采集端)、集中器、機(jī)房管理中心、移動接收終端，以及連接數(shù)據(jù)通信方式組成，形成一個物聯(lián)網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。每棟宿舍設(shè)計一個ZigBee 中心節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)組成一個本地控制網(wǎng)絡(luò)，并通過GPRS 技術(shù)完成網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)信息傳輸給機(jī)房管理中心和移動終端設(shè)備上。機(jī)房管理中心和移動終端設(shè)備可以調(diào)用集中器傳輸來的數(shù)據(jù)，并向集中器發(fā)送控制指令，實現(xiàn)抄表和管理控制功能。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

(1)實現(xiàn)預(yù)付制度。宿舍用電要提前到管理部門進(jìn)行充值，管理系統(tǒng)每天定時對網(wǎng)絡(luò)中的電能計量表自動抄表，當(dāng)電量不足預(yù)設(shè)閾值時，在電能表中安裝的報警器進(jìn)行提醒，當(dāng)電量用完時，遠(yuǎn)程控制端會自動切斷供電。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(2)實現(xiàn)惡意用電管理。當(dāng)宿舍違規(guī)使用電飯煲、電熱爐和熱得快等大功率惡性負(fù)載時，防惡意用電裝置將進(jìn)行報警提醒，20 s 未取消將自動進(jìn)行斷電，同時把違章用電宿舍號通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)控制中心和移動終端。

(3)實現(xiàn)限電管理。管理中心可以通過控制平臺軟件為不同宿舍分配限電標(biāo)準(zhǔn)、限電時間以及是否允許惡性負(fù)載的使用功能。

2.3 電能計量電路設(shè)計

電能計量主芯片選用單相多功能防盜專用計量芯片RN8209。它的內(nèi)部有數(shù)模轉(zhuǎn)換器、乘法器、功率轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器和計量有功功率等主要數(shù)字電路構(gòu)成。其主要工作原理:RN8209 把從通道1(相線電流通道)、通道2(零線電流通道)和通道3(電壓通道)中進(jìn)來的模擬信號，這三路模擬信號經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)過處理后送入乘法器，直接相乘后得到瞬時功率信號，再經(jīng)過電壓頻率轉(zhuǎn)換器后，最后以頻率脈沖的形式輸出，再經(jīng)過主控MCU 處理后進(jìn)行顯示和控制。

本設(shè)計對RN8209 的外圍及擴(kuò)展電路設(shè)計如圖2所示，其中包括電源電路、外部晶振電路和濾波電路組成。電路中不同阻值的電阻實現(xiàn)了系統(tǒng)的采集信號分流和分壓作用，外部晶振根據(jù)要求選用3.579 545 MHz，采集的電壓和電流通過分壓和分流后輸入到計量芯片的輸入端口。圖中分流器設(shè)計分為相電流和零線電流兩個采集通道。相電流傳感器選用互感器，其變化比為2000∶ 1。在實踐使用中，設(shè)置最大電流50 A 時，輸入信號在0.35 Vrms(電壓有效值)左右，因此互感器的電阻值為0.35/60 ×2000 =14 Ω，從電阻實際阻值考慮選取15 Ω。零線電流通道采用錳銅分流器，分流值選取不易過大和過小。如果選取值過大，則外部短路對分流器的影響非常小，靈敏度降低。如果選取值過小，則在小負(fù)載時，又不能符合國標(biāo)精度要求。因此在實際電路實驗中，選擇300 μΩ 較為合適，且該通道增益設(shè)為16 倍。在50 A 時，兩端電壓信號為300 ×16 ×50 =240 000 μV，即240 mVrms。

圖2 外圍電路及信號輸入輸出接口

電壓采集電路用電阻分壓方式輸入，電流、電壓通道輸入幅度峰值設(shè)為700 mV 為允許輸入的最大信號，且考慮到余量，本設(shè)計0.2 Vrms，則取樣電阻為1 000 ×0.2/220 ×1 000 =910 Ω，因此選取1 kΩ。

2.4 ZigBee 外圍電路設(shè)計

數(shù)據(jù)采集端和集中器都采用基于CC2430 的ZigBee 模塊，以此來組成無線發(fā)射和MEG16 單片機(jī)的無線收發(fā)設(shè)備。其中CC2430 是TI 公司生產(chǎn)的無線收發(fā)芯片，它結(jié)構(gòu)簡單功能強(qiáng)大，具有2.4 GHz DSSS 射頻收發(fā)器核心。且內(nèi)嵌51 內(nèi)核，容易編程，可以充當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)的終端、路由和協(xié)調(diào)器［13］。另外，CC2430 有兩個可編程串行USART［14］，用于主從SPI/UART，可以與單片機(jī)串行通信，本文即是通過串口連接CPU 與CC2430 芯片，其外圍設(shè)計圖如圖3 所示。

CC2430 外圍需要很少的電路就可以實現(xiàn)收發(fā)功能，連接一個非平衡天線，另外還有一個非平衡變壓器，可以使得非平衡的天線性能更加優(yōu)越。通過芯片組建的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)抄讀，其中數(shù)據(jù)采集端和集中器可以組建點(diǎn)對點(diǎn)、星狀或網(wǎng)絡(luò)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在實驗中，整個結(jié)構(gòu)滿足匹配要求，效果良好。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文主要對主程序、電能計量采集程序、ZigBee 通信程序、惡性負(fù)載檢測程序、報警程序、GPRS 程序、機(jī)房管理中心界面程序、移動智能終端程序等組成，采用單片機(jī)C 語言編程，用AVR Studio 進(jìn)行調(diào)試，基于篇幅有限，這里主要介紹主程序流程和通信程序設(shè)計，其它不在贅述。

圖3 CC2430 外圍電路

3.1 主程序流程

主程序流程如圖4 所示，設(shè)計了宿舍不允許超限使用和惡性負(fù)載，電能表計量模塊檢測用戶是否有惡性負(fù)載和超限用電信號時，如果有，則主控MEG16 芯片會發(fā)出報警［15］，20 s 后再次進(jìn)行檢測，如違規(guī)使用則斷電，如無，則正常執(zhí)行電能計量與通信信號傳輸功能。

圖4 主程序流程圖

3.2 通信軟件設(shè)計

本系統(tǒng)主要結(jié)合了ZigBee 和GPRS 技術(shù)，進(jìn)行長距離控制命令、集中器定時采集、自組網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心統(tǒng)計分析等功能。軟件在設(shè)計過程中主要通過對ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧操作完成數(shù)據(jù)采集和接收，包括初始化、報警提示、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序設(shè)計［16］。ZigBee模塊作為無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的協(xié)調(diào)器自動完成組網(wǎng)，主要包括網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。其中節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)主要包括通過與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)和通過已知父節(jié)點(diǎn)如果，各自安裝在電能計量模塊設(shè)備上的ZigBee 模塊作為終端節(jié)點(diǎn)通過綁定式加入網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行初始化、數(shù)據(jù)傳輸、處理信息。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)是將電能表計量數(shù)據(jù)通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)通過集中器后經(jīng)GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送到機(jī)房管理中心和移動智能終端，構(gòu)成宿舍用電三層分布式電量無線采集系統(tǒng)?；赯igBee 技術(shù)無線的學(xué)生宿舍用電監(jiān)控監(jiān)控系統(tǒng)可以大大降低成本，提高電能計量采集的效率，在實驗過程中，能夠滿足學(xué)校要求，有效解決學(xué)生宿舍用電管理的難題，同時還可以培養(yǎng)學(xué)生節(jié)能環(huán)保的意識。ZigBee 技術(shù)作為新興無線通信技術(shù)，在工業(yè)監(jiān)控、樓宇智能化、家居系統(tǒng)控制將具有廣闊的應(yīng)用前景。

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