【摘 要】設計一套基于Android和ZigBee技術的家庭智能安全用電系統(tǒng)，詳細闡述系統(tǒng)的總體結構模型與工作原理，就系統(tǒng)的軟硬件特點給出了整套系統(tǒng)的詳細設計方案；通過開發(fā)的實例，驗證該系統(tǒng)運行效果良好，操作簡單快捷，可靠性高，能有效消除家居用電中的安全隱患，保證家庭用電的安全。

【關鍵詞】Android ZigBee 安全用電 信息采集

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）03C-0188-03

隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們生活水平的提高，人們使用的家庭電器越來越多，電器的智能化也逐漸成為社會研究的熱點和人們追捧的對象。隨著家庭電器的增多，總功率增大，人們對家庭用電安全要求也越來越高。傳統(tǒng)的用電插座僅僅具備擴充多路電源的功能，沒有報警、限功率、限電流等功能， 安全防護功能差。近來發(fā)展的智能家居深受廣大用戶歡迎。前人對智能家居的研究主要集中在系統(tǒng)功能設計方面，缺少系統(tǒng)用電安全方面的考慮。用電器超負荷工作、用電器工作電壓不穩(wěn)定等都會導致家庭電路出問題，甚至會引起火災，所以家庭用電安全是智能家居時代必須考慮的問題。

無線技術有ZigBee、藍牙、WIFI等技術。相比之下，Zigbee與常用無線技術具有以下優(yōu)勢：ZigBee聯(lián)盟擴展了IEEE，對其網絡層協(xié)議和API進行了標準化，ZigBee是一種新興的近程、低速率、低功耗的無線網絡技術，能夠組成更復雜的網狀網，具有更高的安全性，具有更高的可靠性。Android系統(tǒng)是目前智能手機使用最多的開源式系統(tǒng)，深受廣大手機用戶青睞，Android平臺很適合用來開發(fā)手機終端，實現(xiàn)智能家居的遠程控制。

為此，本文設計了一套基于Android和Zigbee技術的家庭智能安全用電系統(tǒng)。使用ZigBee技術組建家庭內部網絡，使用Android平臺開發(fā)遠程客戶端，通過Internet、3G、4G等網絡實現(xiàn)用戶遠程訪問的功能。該系統(tǒng)成本低，操作靈活，具有良好的人機交互界面和遠程訪問功能，有效消除家居用電中的安全隱患，提高了家庭用電的安全。

一、系統(tǒng)的功能設計

本系統(tǒng)設計旨在構建以ZigBee為核心的家庭智能內部傳感網絡，以Android智能操作系統(tǒng)為平臺的智能終端，通過遠程實時監(jiān)控家庭用電器的用電信息，對異常電路及時采取控制措施，保障家庭用電安全。系統(tǒng)在每個智能插座上安裝ZigBee模塊、傳感器、繼電器，每個ZigBee模塊負責收集該智能插座的實時數(shù)據(jù)信息，并通過無線網絡傳給協(xié)調器，協(xié)調器對各個 ZigBee模塊傳來的數(shù)據(jù)進行分析、匯總、整合后，把數(shù)據(jù)上傳到家庭服務器，用戶通過基于Android的遠程終端經無線網絡登錄家庭網關，進行實時監(jiān)測家庭用電信息并控制插座的斷開與閉合。

傳統(tǒng)的電源插座功能僅僅是分配多路電源和與插入式元器件（如插頭、電子管、繼電器等）相配接的連接器。而基于ZigBee技術的安全插座除具備這些基本特征，還具有以下智能化的特點：

遠程控制：插座能通過接收遠程終端發(fā)送的命令，來控制電路的開合，從而達到控制用電器的目的。

監(jiān)測用電：插座分別利用電流互感器和電壓互感器采集流入電器的電流和兩端的電壓值，并轉換為數(shù)字化的功率值。用戶可以分析用電器的負荷情況、運行功率、待機功耗等，為用電提供參考。

異常保護：當電路中出現(xiàn)異常情況，如：過流、過壓、欠壓、短路，通路將立即斷開，并向遠程終端發(fā)送報警信號，達到保護電路和用電器的目的。

二、系統(tǒng)的總體結構

由圖1中可以看出，家庭智能安全用電系統(tǒng)是由服務器、協(xié)調器、終端節(jié)點、手機終端、安全插座單元五大部分構成。

服務器是整個系統(tǒng)的心臟，通過它實現(xiàn)系統(tǒng)信息輸入、數(shù)據(jù)分析、信息輸出、集中控制等功能。協(xié)調器負責建立和維護網絡。在協(xié)調器與服務器之間使用RS232串口通信實現(xiàn)連接。

協(xié)調器是無線網絡的核心，負責建立并維護網絡，通過串口向服務器發(fā)送終端設備上傳來的數(shù)據(jù)信息，同時將服務器傳達的命令發(fā)送到指定的終端設備。

終端節(jié)點是由ZigBee模塊和插座組成，ZigBee模塊是嵌入到插座中的，用于接收來自協(xié)調器的調控指令，根據(jù)指令做出相應的調控策略。

手機終端是系統(tǒng)的控制中心，用戶通過相應操作可以實現(xiàn)插座開關的遠程控制。

安全插座單元是系統(tǒng)的受控元件，手機可以隨時隨地對插座進行遠程控制。

三、以ZigBee為核心的傳感網絡的設計與實現(xiàn)

（一）ZigBee傳感網絡

以ZigBee為核心的內部傳感網絡的設計包括整個內部網絡的組建與實現(xiàn)，內部傳感網絡由ZigBee模塊、安全插座、繼電器、傳感器、協(xié)調器等組成。其中ZigBee模塊、繼電器、傳感器都是嵌在安全插座中的。用電器工作時，嵌在插座上的傳感器負責監(jiān)測通過插座的電流、電壓、功率等，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過Zigbee無線網絡技術傳給協(xié)調器。協(xié)調器負責采集各個節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，并進行分析、匯總、整合。最后，將數(shù)據(jù)傳到家庭服務器上。ZigBee傳感網絡具有布線少、安裝簡易、能耗低、擴展性強、成本低、可靠性強的特點，易于在家庭中廣泛使用。

（二）ZigBee模塊

此系統(tǒng)中的ZigBee模塊中集成了德州儀器TI公司第二代的片上系統(tǒng)（SoC）芯片CC2530。CC2530是用于2.4GHz、IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節(jié)點。CC2530 結合了領先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，集成了業(yè)界標準的增強型8051 MCU，系統(tǒng)內可編程閃存8KB RAM 和許多其它強大的功能。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗。

在ZigBee網絡中存在三種邏輯設備類型：協(xié)調器（Coordinator），路由器（Router）和終端設備（End-Device）。協(xié)調器負責啟動和配置網絡，它是網絡的第一個設備。協(xié)調器選擇一個信道和一個網絡ID，隨后啟動整個網絡。路由器允許其他設備加入網絡，多跳路由和協(xié)助它自己的終端節(jié)點進行通信。終端節(jié)點沒有特定的維持網絡結構的責任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個電池供電設備。一個ZigBee網絡由一個協(xié)調器節(jié)點、多個路由器（也可以沒有）和多個終端設備節(jié)點（也可以沒有）組成。協(xié)調器是IEEE 802.15.4 定義的全功能設備（Full Function Device，F(xiàn)FD），負責配置啟動整個網絡。其他網絡節(jié)點作為終端設備，即精簡功能設備（Reduced Function Device，RFD），可以睡眠或者喚醒，接收協(xié)調器發(fā)出的指令信息并做出相應反饋，或者收集數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器。

（三）協(xié)調器的結構設計

網絡協(xié)調器的程序主要包括協(xié)調建立網絡、檢測網絡狀態(tài)、發(fā)送維護信號、發(fā)送采集命令等。協(xié)調器是內部無線網絡的核心，負責建立并維護網絡，通過串口向服務器發(fā)送終端設備上傳來的數(shù)據(jù)信息，同時將服務器傳達的命令發(fā)送到指定的終端設備，為偵聽串口并接收中斷，在協(xié)調器硬件平臺上擴展了RS232 串口。具體結構如圖2所示。

（四）ZigBee安全插座的設計

ZigBee安全插座主要有以下功能：采集所在電路的電壓，電流數(shù)據(jù)，并計算出電路實時功率；插座中有繼電器模塊，能控制電路的通斷。

電路中的電壓、電流強電信號首先經過錳銅片、分壓電阻等轉換為弱電信號，再使用專用的計量芯片，如ATT7022B，其內部具有A/D轉換、數(shù)字運算電路，可以自動完成電壓電流有效值、功率等計算，生成的數(shù)據(jù)由MCU抄取后處理，再將數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊發(fā)送給服務器，同時微處理器還可以通過繼電器控制電器回路的通斷。

利用專用的電能計量芯片不僅有效地克服了干擾，也降低了對CPU的要求，同時所需硬件也大大減少，降低了硬件的成本。所以該設計選用專用電量計量芯片ATT7022B對用戶用電量進行計量；對于主控部分選用常用的8位單片機就能滿足要求。

（五）ZigBee的程序設計

應用程序設計是在 ZigBee 協(xié)議棧（ Z-stack）上進行應用層設計。對于開發(fā)應用，主要在應用層（APL）加入相應的應用程序。TI 公司的 ZigBee 協(xié)議棧自帶有操作系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的需要添加任務并依靠操作系統(tǒng)進行調度。由于系統(tǒng)采用的是樹形結構，所以ZigBee協(xié)調器必須知道每一個傳感器節(jié)點的網絡地址，這就需要每一個傳感器節(jié)點在加入網絡后，都要把網絡地址發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器收到傳感器節(jié)點的網絡地址后，便可建立地址表并存儲起來，以便用戶要求采集數(shù)據(jù)時，依據(jù)地址表來采集每個傳感器的數(shù)據(jù)。

軟件工作流程說明：

開啟電源后，協(xié)調器啟動，其主程序啟動。

通過halBoardInit（ ）函數(shù)初始化外圍設備，系統(tǒng)進入網絡建立過程。

當網絡建立完成之后，協(xié)調器進入循環(huán)工作狀態(tài)：如果偵聽到有無線電數(shù)據(jù)，就進入無線電接收數(shù)據(jù)過程，接收完數(shù)據(jù)以后，還要將數(shù)據(jù)上傳到服務器；如果沒有偵聽到無線電數(shù)據(jù)，則去偵聽串口的控制命令，如果協(xié)調器偵聽到串口信號，協(xié)調器隨即開始解析命令，并向下傳達。

當這個過程完成時，系統(tǒng)回到偵聽是否有無線電數(shù)據(jù)的判斷過程，系統(tǒng)進入再一次循環(huán)。

終端節(jié)點上電后，掃描所有可用信道來尋找臨近協(xié)調器，申請加入此網絡。終端節(jié)點使用電池供電，因此要保證終端節(jié)點的低功耗，設計中采用定時喚醒的方式連接協(xié)調器，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其它時間則進入休眠模式，以達到終端節(jié)點的功耗最低。

四、Android智能終端設計與實現(xiàn)

（一）Android平臺

Android是基于Linux的自由并開放源代碼的操作系統(tǒng)，具有開發(fā)和免費的優(yōu)勢，是強大靈活的智能終端平臺，主要應用在移動設備上，如智能手機，平板電腦。據(jù)IDC（Internet Data Center）的最新數(shù)據(jù)顯示，Android已成為最受歡迎的智能手機平臺。該平臺由4 部分組成，分別為操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面及應用軟件。相比于其他移動設備使用的操作系統(tǒng)，其優(yōu)勢也相當明顯。

（二）終端功能設計

終端設計是實現(xiàn)人機交互的關鍵環(huán)節(jié)，本軟件的功能設計是使用戶能方便、快捷、隨時通過遠程終端訪問家庭用電器的使用情況，必要時可以遠程控制插座的開閉，以保證家庭用電的安全。本軟件具有三大功能：遠程控制、實時監(jiān)控、安全防護。

遠程控制：只要手機處于聯(lián)網狀態(tài)，用戶可以隨時隨地控制插座的開與閉。如用戶在下班回家前，可以通過遠程打開飲水機，用戶到家就可以喝熱開水了。

實時監(jiān)控：用戶可以隨時隨地查看家庭用電器的當前使用狀態(tài)，包括通過插座的電壓、電流、功率等的實時數(shù)據(jù)，以了解家庭電器的使用情況。

安全防護：當插座出現(xiàn)過流、過壓、欠壓、短路等異常狀況時，該終端會接收到安全插座發(fā)來的警報，提醒用戶及時采取措施，消除安全隱患。

（三）終端工作流程

啟動智能終端，終端提示需要輸入訪問的IP地址。

用戶登錄。如果用戶沒有注冊，可以進行注冊，然后再登錄。

主控界面。用戶登錄成功后，會自動跳到主控界面中。在主控界面中，用戶可以查看各插座的使用情況，包括電流、電壓、功率等。按鈕處于灰色狀態(tài)，說明該插座是斷開的，連在該插座上的用電器處于閑置狀態(tài)；按鈕處于綠色狀態(tài)，說明該插座是閉合的，連在該插座上的用電器處于正常工作狀態(tài)，該電路是安全的；按鈕處于紅色狀態(tài)，說明該插座出現(xiàn)過流、過壓、欠壓、短路等狀況，電路處于不安全、不穩(wěn)定狀態(tài)，需要及時斷開該插座。

用戶中心。處在主界面的下方，超級用戶可以進行增加用戶、修改用戶、刪除用戶等操作。普通用戶可以執(zhí)行修改密碼操作。

信息提示。處在主界面的下方，信息提示主要是接收來自協(xié)調器發(fā)送過來的報警信息。信息內容包括出現(xiàn)報警的插座名、報警的時間、報警原因等。

五、測試方法

在對整個系統(tǒng)的測試過程中，按照循序漸進的方法對每個功能節(jié)點模塊進行測試，對于每個步驟出現(xiàn)的問題都進行仔細排查，待問題解決后，再進行整體的測試，參看系統(tǒng)整體能否成功運行，效果是否和預期效果一樣，系統(tǒng)是否能完成以下功能： ZigBee無線網絡是否能夠成功運行，是否能夠完成相互的通信；ZigBee無線傳感網絡中的各個節(jié)點是否都能正常工作；協(xié)調器是否能夠正常完成數(shù)據(jù)的收集匯總發(fā)送工作，是否能截取信息并且顯示整個系統(tǒng)的狀態(tài)；Android智能控制端是否能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，是否能夠控制相關的操作。如果數(shù)據(jù)監(jiān)測情況正常，相應的功能模塊工作穩(wěn)定可靠，本系統(tǒng)總體運行良好，那么該系統(tǒng)基本達到預期目標。

本文基于Android平臺和ZigBee技術開發(fā)了家庭智能安全用電系統(tǒng)。將ZigBee無線網絡技術與Android平臺融為一體，有效對插座進行遠程控制，實現(xiàn)家庭內部網與外網和移動手機的無縫連接，消除了家庭電器在使用時存在的種種安全隱患，保證了家庭用電的安全。

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【基金項目】2013年度廣西高等教育教學改革工程立項項目（2013JGA348）

【作者簡介】溫劍鋒（1979- ），男， 廣西建設職業(yè)技術學院講師，碩士，研究方向：智能計算，移動互聯(lián)。

（責編 丁 夢）