杜欣慧，盧小茜，白雪艷

（太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030024）

隨著智能電網(wǎng)和階梯、峰谷電價(jià)的推廣，各種智能電表應(yīng)運(yùn)而生，人們節(jié)電意識(shí)也越來越強(qiáng)，也希望對(duì)家用電器進(jìn)行智能化管理并且能實(shí)時(shí)了解電價(jià)和用電情況。智能節(jié)電系統(tǒng)可以幫助人們實(shí)現(xiàn)這一愿望。然而傳統(tǒng)的智能設(shè)備最大的弊端就是增減設(shè)備都需要重新布線，重復(fù)投資且影響美觀；另一方面，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和移動(dòng)性也比較差，安裝和維護(hù)成本高。隨著無線技術(shù)的發(fā)展，典型短距離無線技術(shù)有紅外、藍(lán)牙、Wi-Fi和ZigBee［1，2］等技術(shù)，通過相互比較，低功率低速率的ZigBee技術(shù)是目前最適合智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。采用ZigBee無線通信技術(shù)和微處理器ARM能很好的解決以上問題，并且能減小能耗，提升可擴(kuò)展性，增強(qiáng)系統(tǒng)的可控性。

1 ZigBee、ARM的機(jī)理分析

1.1 ZigBee機(jī)理

ZigBee具有近距離、低功耗、低速率、雙向傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，是一種基于IEEE802.15.4［3］無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量小、數(shù)據(jù)傳輸速率低的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家庭、工業(yè)以及醫(yī)學(xué)等各種重要場所的監(jiān)控。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要由協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)組成。ZigBee支持星型、網(wǎng)狀和樹簇狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在每一個(gè)Zig－Bee網(wǎng)絡(luò)中最多可以擁有65 535個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址由ZigBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)（Network Coordinator）負(fù)責(zé)分配。另外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍在30～100m之間，而且傳輸?shù)木嚯x還可以通過使用功率放大器和多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到延伸。

1.2 ARM 機(jī)理

上位機(jī)選用32位的ARM微控制器［4］，它的工作頻率可達(dá)幾百M(fèi)Hz，集成有許多片內(nèi)外設(shè)，并有多種通信接口，體積小，功耗和成本低，可靠性高，特別適合作為嵌入式微處理器。系統(tǒng)一般采用Flash作為程序存儲(chǔ)器，采用SDRAM作為系統(tǒng)內(nèi)存。可以采用VxWorks、WinCE、Linux等嵌入式操作系統(tǒng)。在基于ARM平臺(tái)上可嵌入較完整的TCP／IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的Web服務(wù)功能。并且系統(tǒng)中能集成多種接口部件，可以完成較多復(fù)雜的功能。為家庭網(wǎng)關(guān)后繼功能的擴(kuò)展提供了可能。

2 智能節(jié)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能節(jié)電系統(tǒng)由控制平臺(tái)（上位機(jī)）、通訊系統(tǒng)中心節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）、通訊系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)和控制終端組成，如圖1所示。選用天嵌科技公司的ARM9 TQ2440核心板作為主控制系統(tǒng)，無線通信系統(tǒng)是由華諾的CC2430ZigBee板構(gòu)成。ARM和協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收和處理終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，ARM程序?qū)邮艿臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)控物品狀態(tài)異常時(shí)，上位機(jī)發(fā)出報(bào)警。ARM9和中心節(jié)點(diǎn)通過串口連接，ARM9通過串口向中心節(jié)點(diǎn)傳輸命令，中心節(jié)點(diǎn)也可以把從子節(jié)點(diǎn)采集到的信息反饋給ARM9，從而反饋給用戶，實(shí)現(xiàn)用戶和裝置的互動(dòng)。中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)是通過ZigBee無線通信連接，通過該無線網(wǎng)絡(luò)向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，同時(shí)也能接受終端節(jié)點(diǎn)反饋的信息，從而實(shí)現(xiàn)了雙向通信。該裝置主要是通過CC2430控制SL-C電磁式繼電器的閉合來達(dá)到控制插座通電與否、通過DS18B20溫度傳感器檢測室內(nèi)溫度，通過控制HCSR501實(shí)現(xiàn)安防系統(tǒng)和通過ADE7755電能采集芯片采集電能信息。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2.1 硬件組件

2.1.1 ARM9

ARM9［5］是32位嵌入式RISC微處理器，采用嵌入式 WinCE6.0系統(tǒng)及VS2005平臺(tái)，以VB語言開發(fā)ARM9的控制界面，該界面操作簡單，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2.1.2 中心節(jié)點(diǎn)

CC2430芯片是集成ZigBee技術(shù)、8051MCU處理核心的SOC芯片，在集成度和成本以及研發(fā)難度上，都具備相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA和25mA。對(duì)于那些要求非常長的電池壽命的應(yīng)用，其休眠模式會(huì)短時(shí)間的轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式，使之能夠成為最理想的解決方案。這個(gè)配置可以應(yīng)用于所有ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinators），路由器（Routers）和終端設(shè)備（End devices）。

2.1.3 終端節(jié)點(diǎn)

每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)小的ZigBee電路板，以4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)（根據(jù)需要可以任意增加節(jié)點(diǎn)）為例：將SL-C電磁式繼電器安裝在需要控制的插座里，即可通過CC2430控制該繼電器的閉合來達(dá)到控制插座通電與否，從而控制了家電的通斷，把處于待機(jī)的家電切斷，從而減少了待機(jī)功耗；通過DS18B20溫度傳感器［6］檢測室內(nèi)溫度，判斷是否滿足溫度要求，若不滿足即可控制空調(diào)的開斷來調(diào)節(jié)溫度；通過控制HC-SR501實(shí)現(xiàn)安防系統(tǒng)和通過ADE7755電能采集芯片采集電能信息［7］。

3 智能節(jié)電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括ARM串口通信及界面開發(fā)，ZigBee協(xié)議棧的開發(fā)和調(diào)試，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)程序和功能的調(diào)試。

3.1 ARM 平臺(tái)的開發(fā)

采用嵌入式 WinCE6.0操作系統(tǒng)，它適用于掌上型電腦類的電子設(shè)備?？刂破脚_(tái)ARM與中心節(jié)點(diǎn)ZigBee采用串口通信，選用VS2005平臺(tái)的VB語言開發(fā)ARM9的控制界面，串口通信采用Serial－Port類組建。

3.2 ZigBee協(xié)議棧的開發(fā)

ZigBee協(xié)議棧［2］的程序開發(fā)從任務(wù)與事件、設(shè)備信息配置、建網(wǎng)與入網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信四方面進(jìn)行開發(fā)。

任務(wù)與事件主要包括自定義事件、事件觸發(fā)、定義事件處理函數(shù)和添加事件處理函數(shù)。

Z-Stack協(xié)議棧架構(gòu)和操作系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

3.3 ZigBee終端傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)開發(fā)平臺(tái)選用的是IAR EW8051-EV-7.51A，協(xié)議棧為ZigBee2006。終端設(shè)備將檢測到的數(shù)據(jù)傳給終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)傳給協(xié)調(diào)器，最終傳給ARM。該系統(tǒng)包括4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

4 智能節(jié)電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖2 Z-Stack協(xié)議棧架構(gòu)和操作系統(tǒng)流程圖

圖3 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)流程圖

ARM是整個(gè)智能節(jié)電裝置的控制平臺(tái)，圖4是ARM顯示屏上的控制界面，該界面操作簡單，能夠很好地監(jiān)控到家電的使用情況及用電量的實(shí)時(shí)反饋。用戶通過控制該界面，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，能夠清晰的了解家電的運(yùn)行情況。用戶可以從ARM顯示屏上讀取室內(nèi)溫度，并且該系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)室溫使其維持在一個(gè)比較舒適的范圍之內(nèi)；可以很方便的直接通過ARM界面控制家用電器的通斷，對(duì)于不用的待機(jī)電器，可以通過判斷后自行關(guān)斷，方便了用戶，減少了待機(jī)功耗；可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶電壓電流，并判斷是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)，超出安全值會(huì)給出警報(bào)，并連同電量一塊顯示在ARM顯示屏上，使用戶能實(shí)時(shí)了解用電及安全情況；電量在超出一定范圍（根據(jù)規(guī)定的階梯電價(jià)來設(shè)定）時(shí)也會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒用戶節(jié)電，并且實(shí)時(shí)電價(jià)也會(huì)顯示在該界面上。該智能節(jié)電裝置響應(yīng)了階梯電價(jià)和節(jié)能減排［8－10］政策。

圖4 主控制界面

隨著家電的增加，待機(jī)功耗不可小窺，據(jù)統(tǒng)計(jì)電器設(shè)備的待機(jī)能耗約等于它的開機(jī)功率的10%。經(jīng)過計(jì)算把家中的各種家電待能耗加起來約等于開24h一盞40W左右的長明燈。所以待機(jī)時(shí)，消耗的能源量也是巨大的，但人們卻很少注意到這一點(diǎn)。用每天這些電器待機(jī)16h來算，一年就要白白浪費(fèi)掉306.6kWh的電。一百萬用戶就會(huì)浪費(fèi)掉30 660萬kWh的電。而該智能節(jié)電系統(tǒng)可以通過ARM實(shí)時(shí)監(jiān)測到家電的使用情況，并對(duì)于待機(jī)的家電實(shí)施遠(yuǎn)程操作關(guān)斷，減少了待機(jī)功耗，節(jié)約了能源，給用戶帶來了很好的節(jié)電效益。

5 結(jié)論

IEEE 802.15.4-ZigBee協(xié)議為無線通訊網(wǎng)絡(luò)及大量基于微控制的應(yīng)用提供了互聯(lián)互通的國際標(biāo)準(zhǔn)，從而使得無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、分析處理變得更加容易和便捷。ARM簡單便捷的操作為該智能節(jié)電裝置提供了一個(gè)良好的控制平臺(tái)。通過搭建、調(diào)試以及實(shí)驗(yàn)最終實(shí)現(xiàn)了智能節(jié)電系統(tǒng)對(duì)開關(guān)的控制、溫度的采集、紅外監(jiān)測以及電能采集。經(jīng)過節(jié)電分析，這套節(jié)電系統(tǒng)一年可為一百萬用戶節(jié)約30660萬kWh電，節(jié)電效益非常明顯。這套智能節(jié)電系統(tǒng)［9，10］應(yīng)用在家居系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了家用電器的智能化控制，大大減少了待機(jī)功耗，提高了節(jié)電效益，使得家居生活更加便捷、安全、舒適、節(jié)能。并且ZigBee無線通信技術(shù)和ARM使得整個(gè)家居系統(tǒng)布線簡單、裝修維護(hù)簡單。

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