梁娜

摘要：本文設(shè)計(jì)了一款基于zigbee無線通信技術(shù)的家電能耗計(jì)量和監(jiān)控插座。該設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)家用電器的耗電量，并具有zibgee通信功能，能夠組建網(wǎng)絡(luò)并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器進(jìn)行集中分析和監(jiān)控，同時(shí)能夠監(jiān)測(cè)用電器的工作狀態(tài)，對(duì)非正常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警和斷電，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)約用電和安全用電。

關(guān)鍵詞：zigbee技術(shù)；無線智能插座前言

家用電器的廣泛使用，提高了人們的生活水平，但是，不良的用電習(xí)慣時(shí)常給人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的損失。據(jù)公安部門和消防部門相關(guān)資料顯示，我國每天平均發(fā)生火災(zāi)350多起，其中因超負(fù)荷、短路等原因引起的電器火災(zāi)占到了30%以上，美國奧柏林大學(xué)的研究人員通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)能耗實(shí)施監(jiān)控機(jī)制，能夠使整個(gè)學(xué)校的學(xué)生宿舍在兩周內(nèi)減少32%的電能損耗。英國牛津大學(xué)環(huán)境學(xué)院在2006年的一份調(diào)查報(bào)告中闡述了對(duì)家用電器用電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的意義和必要性。

與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出被視為信息通信技術(shù)發(fā)展的重要里程碑，它利用通信技術(shù)，將家用電子設(shè)備進(jìn)行集中的控制和管理，從而創(chuàng)造出高效、舒適、安全、居住環(huán)境。如何將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和家電的用電狀態(tài)監(jiān)控結(jié)合起來將成為安全用電、節(jié)能減排的一個(gè)新的切入點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一款基于無線ZIGBEE技術(shù)的智能插座設(shè)計(jì)方案，該設(shè)備除了具有傳統(tǒng)插座的功能外，還具有無線通信、電壓電流采集、電能計(jì)量、過壓過流保護(hù)、自動(dòng)開關(guān)、報(bào)警、休眠、信息顯示以及組網(wǎng)等功能，是一款功能齊全的智能插座。

1.智能插座的系統(tǒng)構(gòu)架

基于zigbee技術(shù)的無線智能插座硬件系統(tǒng)主要由電源模塊、無線微控制器模塊、電量采集單元、時(shí)鐘模塊、繼電器控制單元、報(bào)警單元、鍵盤輸入單元、顯示單元等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1智能插座系統(tǒng)框圖

電源模塊將交流市電轉(zhuǎn)換為直流電，為其余模塊供電；電量采集模塊包括電壓采集和電流采集兩部分，用于采集用電設(shè)備的能耗信息，本文利用電能計(jì)量芯片ADE7755實(shí)現(xiàn)。電壓互感器和電流互感器用于對(duì)電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采樣， 并經(jīng)由流/壓變換電路轉(zhuǎn)換為ADE7755能夠接收的信號(hào)，進(jìn)而通過電能計(jì)量芯片的內(nèi)部電路計(jì)算出電參數(shù)。微控制器采用帶有ZIGBEE無線通信功能的CC2430芯片，既負(fù)責(zé)控制本節(jié)點(diǎn)的工作， 又負(fù)責(zé)和網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信。CC2430通過IO接口與ADE7755芯片相連，讀取測(cè)量的各種數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算處理，通過顯示模塊進(jìn)行顯示，同時(shí)還能通過內(nèi)部的無線通信模塊和其他節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。

2.主要模塊硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 無線微控制器模塊

CC2430單片機(jī)是德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的一款片上系統(tǒng)解決方案，它基于IEEE 802.15.4和Zigbee通信協(xié)議。片內(nèi)外設(shè)非常豐富：在單個(gè)芯片上集成了CPU、存儲(chǔ)器、常用片內(nèi)外設(shè)和RF射頻單元。它具有1個(gè)8位CPU（8051），具有最大128KB可編程FLASH和8KB的SRAM，，主要包括1個(gè)5通道8位至14位可編程ADC轉(zhuǎn)換器、4個(gè)定時(shí)器、2個(gè)USART，1個(gè)DMA控制器、1個(gè)看門狗定時(shí)器、1個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器、21個(gè)可編程I/O引腳。CC2430內(nèi)部已集成了正常工作所必須的電路，因此用戶僅需搭建少量的外圍電路就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送和接收。

2.2 電量采集模塊

ADE7755是一種精度非常高的電量計(jì)量芯片，它通過內(nèi)部電路對(duì)電壓和電流直接相乘得到瞬時(shí)有功功率，再由瞬時(shí)有功功率計(jì)算出平均有功功率。如圖2所示，電壓和電流信號(hào)分別經(jīng)過兩路A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)分別送入電流通道V1N、V1P以及電壓通道V2N、V2P。經(jīng)過濾波后的電壓信號(hào)和電流信號(hào)經(jīng)過乘法器進(jìn)行相乘運(yùn)算，所得到的信號(hào)再經(jīng)過一個(gè)低通濾波器濾掉交流分量，輸出的直流分量即為瞬時(shí)有功功率。這一信號(hào)經(jīng)過數(shù)頻轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成和平均有功功率成正比的低頻信號(hào)，經(jīng)過F1和F2端口輸出，同時(shí)，從高頻口CF輸出與瞬時(shí)有功功率成正比的脈沖信號(hào)。ADE7755電量采集電路如圖2所示。

圖2ADE7755電量采集電路

2.3 電源模塊

穩(wěn)定的電源是系統(tǒng)正常工作的保障。該智能插座系統(tǒng)用到的工作電壓有5 V 和3.3 V兩種，其中前者為電量采集模塊、時(shí)鐘模塊、顯示模塊提供電源，后者為無線通信模塊提供電源。電源電路如圖3所示。

圖3直流穩(wěn)壓電源電路

2.4 時(shí)鐘模塊

由于單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器誤差較大，因此本方案選用Dallas 公司生產(chǎn)時(shí)鐘芯片DS1302，該芯片精度高、功耗低、運(yùn)行可靠。DS1302 采用三總線與單片機(jī)進(jìn)行通信，外接的晶振頻率為32.768 kHz，可以對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒、星期進(jìn)行計(jì)數(shù)。

3、軟件設(shè)計(jì)

本方案在軟件設(shè)計(jì)上采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主控制器模塊、信號(hào)采集和處理模塊、鍵盤管理模塊、LCD 信息顯示模塊、時(shí)鐘模塊和開關(guān)動(dòng)作控制模塊。插座上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，之后進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，即、電流、電壓檢測(cè)，功率計(jì)算、并將采集的結(jié)果顯示在液晶屏上。當(dāng)單片機(jī)得到電流信號(hào)或電壓信號(hào)超過了正常工作的限定值時(shí)，控制器會(huì)立即通過蜂鳴器和LCD 報(bào)警，并控制繼電器切斷負(fù)載所在的回路。當(dāng)DS1302 內(nèi)部相關(guān)寄存器的值和用戶的設(shè)定值相同時(shí)，，單片機(jī)對(duì)繼電器進(jìn)行相應(yīng)的控制插座將按照用戶的設(shè)定值進(jìn)行定時(shí)通斷。報(bào)警控制單元的流程圖如圖4所示。

圖4報(bào)警控制單元流程圖

4.結(jié)束語

本文提出了基于zigbee無線通信技術(shù)的智能插座硬件設(shè)計(jì)方案和軟件解決方案。該智能插座具有電量采集、智能監(jiān)控、組網(wǎng)通信等功能，能夠滿足現(xiàn)代社會(huì)安全用電和節(jié)能降耗的需求，同時(shí)將滿足智能家居和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求。隨著智能家居的迅速發(fā)展，智能插座將在人們的日常生活中發(fā)揮越來越廣泛的作用。（作者單位：石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程系）

河北省科技廳科技支撐課題 課題號(hào)：12210423

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