張　賽,　郭家虎,　劉為國,　王芳芳

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院, 安徽 淮南　232001)

基于ZigBee的智能插座系統(tǒng)設(shè)計

張賽,郭家虎,劉為國,王芳芳

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院, 安徽 淮南232001)

摘要：設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的智能插座系統(tǒng),可以通過手持終端和ZigBee網(wǎng)絡(luò)遠程控制智能插座的通斷,從而實現(xiàn)家電設(shè)備的開啟和關(guān)閉,避免因待機產(chǎn)生不必要的電量消耗。系統(tǒng)測試結(jié)果表明,基于ZigBee技術(shù)的智能插座系統(tǒng)可以實時監(jiān)測家庭用電設(shè)備,顯示用電數(shù)據(jù),幫助用戶合理調(diào)整用電設(shè)備和用電時間,有效降低能耗。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù); 智能插座; 硬件電路設(shè)計; 軟件設(shè)計; 實時監(jiān)測中圖分類號： TU 855

文獻標志碼：B

文章編號：1674-8417(2016)05-0022-05

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.006

0引言

智能家居以住宅為平臺,利用綜合布線、網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制等技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成,構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng),提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性,并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1]。目前,智能家居控制系統(tǒng)大多采用有線方式布局,存在布線繁瑣、控制效率低、維護困難等問題[2-3],且不同的家庭或用戶每天使用不同種類的設(shè)備儀器等,大多數(shù)設(shè)備儀器都不具備遠程控制功能,給智能化控制特別是遠程控制帶來了很大的障礙。無線智能插座將網(wǎng)絡(luò)通信和自動化控制融于一體,通過智能家居的家庭網(wǎng)關(guān)可實現(xiàn)各種家電設(shè)備的自動化控制。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線射頻識別等與其相關(guān)的技術(shù)隨之快速發(fā)展。在短距離無線通信領(lǐng)域中,ZigBee因具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的特性[4],主要用于自動遠程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)[5]。插座是日常生活的必備設(shè)備,將ZigBee技術(shù)運用于插座(如可遠程控制的智能插座),已經(jīng)成為智能家居的應(yīng)用趨勢。借助ZigBee技術(shù)和用戶手持終端,可以實現(xiàn)手持終端與家用電器之間的無線互聯(lián),為遠程數(shù)據(jù)傳送和家電監(jiān)控提供強大的支持平臺。

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展,電網(wǎng)容量不斷增大,結(jié)構(gòu)日趨復雜,電力系統(tǒng)中實時監(jiān)測用電設(shè)備的用電情況和提高人們的節(jié)電意識顯得尤為重要。專用電量檢測芯片具有高速電能計算功能,可以完成各種電量參數(shù)的計算,并能簡化電路,被廣泛使用于智能檢測儀表中,以實時監(jiān)測用電情況,幫助用戶安全用電。

本文設(shè)計了集成自動電量測量模塊和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制器的智能插座系統(tǒng)。

1設(shè)計方案

選用ZigBee無線技術(shù)作為遠程控制的信息傳遞媒介,選用電壓分壓器和錳銅分流器對交流信號進行采樣,采樣值送入專用的電量檢測芯片進行數(shù)據(jù)處理,采用DS1302為系統(tǒng)提供時間基準,實現(xiàn)智能插座的定時預(yù)約功能。采用ZigBee模塊作為插座的主控制中心,插座電流的通斷由繼電器控制。

智能插座ZigBee協(xié)調(diào)器接收家庭網(wǎng)關(guān)或手持設(shè)備下達的命令,并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)送給相應(yīng)的智能插座,通過繼電器控制插座電流的通斷,并上報插座狀態(tài)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2硬件電路設(shè)計

2.1電源模塊

電源模塊為基于ZigBee的智能插座提供穩(wěn)定、可靠的直流電源。該智能插座的工作電壓為5 V、3.3 V,其中為電量采集模塊供電的電壓5 V,為ZigBee模塊供電的電壓為3.3 V。該部分將AC 220 V電源經(jīng)過整流、濾波、降壓、穩(wěn)壓,直流輸出達到5 V,再通過DC-DC隔離電源模塊輸出為3.3 V,給ZigBee模塊供電。

2.2ZigBee微控制器模塊

ZigBee模塊是設(shè)計的重要環(huán)節(jié),主控芯片采用ZigBee射頻芯片CC2530,以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,只需很少的外圍電路配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)。CC2530電路連接如圖2所示。

圖2　CC2530電路連接

ZigBee模塊在初始化時協(xié)調(diào)器完成網(wǎng)路組建,并將接收到的指令發(fā)送到相應(yīng)的智能插座。終端節(jié)點只需加入?yún)f(xié)調(diào)器已建立的網(wǎng)絡(luò)。該智能插座的相應(yīng)ZigBee終端在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的指令后,解析并執(zhí)行指令,上報當前插座狀態(tài)。

2.3電能計量模塊

電能計量模塊對插座上的電器耗電量進行計量,包括電壓采集電路、電流采集電路、電量測量芯片CS5463,是整個智能插座的重要組成部分。

電量采集包括直接采樣和互感器采樣。直接采樣使用高精度的電阻將220 V電網(wǎng)通過電阻分壓的方式降到所需的數(shù)據(jù)范圍采樣電壓,選用電阻率高、電阻溫度系數(shù)小的錳銅片進行電流采樣。分別用電壓互感器、電流互感器采樣電壓、電流[6]。互感器采樣的起動電流較直接采樣大,且互感器線圈會產(chǎn)生激磁電流,誤差、功耗大,因此采用直接采樣方式采樣電壓、電流。

流過插座的電壓和電流經(jīng)采樣后,由電阻和電容構(gòu)成的低通濾波器,濾去小電壓信號中的高頻干擾,進入電量測量芯片中進行運算。

該系統(tǒng)選用的電量測量芯片CS5463是專門用于電力參數(shù)測量的高精度集成電路,可以精確測量瞬時電壓、電流和計算瞬時功率、有功功率、無功功率等參數(shù)[7-8],能夠進行片上系統(tǒng)校準、電壓下降檢測。CS5463串行接口能夠與微控制器進行雙向通信,且接口電路簡單。

當插座通上電后,CS5463實時監(jiān)測插座的電量,將測量計算得到的值通過SPI口輸出給ZigBee微控制器模塊的單片機CC2530處理,并將數(shù)據(jù)保存到存儲器中,方便用戶查詢用電情況。當監(jiān)測的電流值低于插座預(yù)設(shè)值的待機電流閾值時,微控制模塊判斷電器處于待機模式,開始計時;在經(jīng)過預(yù)設(shè)時間后,發(fā)送斷開命令給繼電器,使插座自動斷電。當電流值高于預(yù)設(shè)值的最大電流值時,判斷負載過大,超過插座所能承受的范圍,立刻發(fā)送命令斷開插座電源,并通知用戶及時檢查用電設(shè)備,甄別故障。為保證電路的安全性,CS5463與CC2530之間采用高速光耦6N137隔離。電量計量模塊原理如圖3所示。

圖3　電量計量模塊原理

2.4繼電器模塊

智能插座由三相插頭取電,供應(yīng)其他模塊的正常運作。智能插座的插頭和插孔之間通過繼電器相連,由繼電器控制插孔內(nèi)電流的通斷,繼電器的斷開與閉合由CC2530單片機控制。復位后,芯片CC2530的I/O口為高電平,繼電器的線圈內(nèi)有電流,所以繼電器處于常開狀態(tài),插座沒有接通。當需要接通插座時,設(shè)置 I /O 口為低電平,繼電器線圈內(nèi)有電流,繼電器閉合,電路導通,插座可為用電器供電。因繼電器控制的是交流電的通斷,且單片機與繼電器的工作電壓不同,所以在單片機和繼電器之間加光耦隔離。

2.5定時模塊

系統(tǒng)采用DS1302芯片實現(xiàn)對智能插座的定時功能,為智能插座提供精準的實時日歷信息,確保智能插座的定時功能能夠準確運轉(zhuǎn),并且在插座斷電的情況下繼續(xù)精準走時。DS1302與單片機CC2530通過SCLK、I/O、RST控制線連接。

根據(jù)用戶的用電習慣,可通過手持終端或家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)置智能插座的開啟/關(guān)閉時間,經(jīng)協(xié)調(diào)器解析數(shù)據(jù),通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳給要定時的插座,插座上的單片機系統(tǒng)與DS1302時間對比,定時時間一到,通過單片機的I/O端口控制繼電器的斷開或閉合。定時功能可避免由于忘記開關(guān)而造成的電能浪費和家電損壞。

3軟件設(shè)計

3.1智能插座協(xié)調(diào)器程序設(shè)計

協(xié)調(diào)器程序由ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分和信息收發(fā)部分組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分主要完成網(wǎng)絡(luò)組建、維護、控制終端節(jié)點的加入等。系統(tǒng)上電后,協(xié)調(diào)器會自動選擇信道、網(wǎng)絡(luò)號,并建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建立后,協(xié)調(diào)器就可以允許其他的設(shè)備與其建立連接,控制其他節(jié)點的加入。信息收發(fā)部分主要接收手持設(shè)備下達的命令,并將命令進行分析,將數(shù)據(jù)下發(fā)到相應(yīng)的智能插座,并對智能插座返回和上報的信息進行處理,再發(fā)送到手持設(shè)備。在信息收發(fā)部分,協(xié)調(diào)器相當于信息中轉(zhuǎn)站。智能插座協(xié)調(diào)器程序流程如圖4所示。

圖4　智能插座協(xié)調(diào)器程序流程

3.2智能插座終端程序設(shè)計

智能插座終端設(shè)備上電后會主動掃描查找周圍網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器,如果在掃描期限內(nèi)檢測到信標,則獲得了協(xié)調(diào)器的有關(guān)信息,向協(xié)調(diào)器發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)請求。協(xié)調(diào)器根據(jù)其存儲空間、能量的資源情況來決定節(jié)點的加入請求,然后給節(jié)點發(fā)送響應(yīng)。若協(xié)調(diào)器的資源足夠,協(xié)調(diào)器會給節(jié)點分配一個16位的短地址,則該節(jié)點將成功地與協(xié)調(diào)器建立連接,并可以開始通信。智能插座終端成功加入網(wǎng)絡(luò)后,不斷查看是否有事件發(fā)生,如果有事件發(fā)生,就調(diào)用相應(yīng)的事件處理函數(shù);如果沒有任務(wù),就進入休眠,直至定時器過期或終端觸發(fā)喚醒,終端轉(zhuǎn)入工作模式,執(zhí)行任務(wù)。智能插座終端程序流程如圖5所示。

3.3工作流程

智能插座系統(tǒng)上電后,對協(xié)調(diào)器和智能插座終端節(jié)點進行初始化,搭建ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信平臺。用戶通過手持設(shè)備向插座系統(tǒng)協(xié)調(diào)器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)命令或插座控制、查詢命令。協(xié)調(diào)器收到手持設(shè)備發(fā)來的命令數(shù)據(jù)后,對數(shù)據(jù)進行解碼分析。如果是網(wǎng)絡(luò)命令,協(xié)調(diào)器則根據(jù)解析的命令內(nèi)容對建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行相應(yīng)的管理;如果是插座控制或查詢命令,協(xié)調(diào)器則根據(jù)數(shù)據(jù)包中目標設(shè)備的地址,將數(shù)據(jù)包通過搭建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相應(yīng)的智能插座。智能插座收到數(shù)據(jù)包后對數(shù)據(jù)包中的命令進行解析,并向協(xié)調(diào)器發(fā)送應(yīng)答信息,通知協(xié)調(diào)器命令執(zhí)行的結(jié)果(成功或失敗)。協(xié)調(diào)器將結(jié)果上報給用戶手持設(shè)備,告知用戶對插座的操作是否完成。

圖5　智能插座終端程序流程

另外,插座還會主動向協(xié)調(diào)器和用戶上報信息。如智能插座在監(jiān)測過程中出現(xiàn)用電設(shè)備發(fā)生故障或電流過大等情況時,能自動斷開插座,保證家庭的用電安全,并向用戶上報插座故障信息,以便用戶及時檢查插座和用電設(shè)備,甄別故障,及時維修。系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)工作流程

4系統(tǒng)測試

(1) 對電源模塊檢測。將插座接入家庭電網(wǎng)后,檢測智能插座的電源模塊輸出電壓。結(jié)果顯示,電源模塊輸出電壓為DC 5 V、3.3 V,且輸出波形穩(wěn)定。

(2) 電量測量模塊的測試。先檢測電量測量芯片CS5463能否正確讀寫數(shù)據(jù),檢測方法是向CS5463的寄存器內(nèi)寫入數(shù)據(jù)后再讀取數(shù)據(jù),若讀取數(shù)據(jù)與寫入數(shù)據(jù)相同,則CS5463能正確讀寫數(shù)據(jù)。為了提高CS5463的實際測量準確度,在插座使用前對CS5463芯片進行AC校準[8]。在進行AC偏移校準時,對CS5663的電壓/電流通道加入零信號,AC增益校準提供所設(shè)計插座的滿量程電壓/電流信號,然后對CS5463相應(yīng)的校準寄存器寫入相關(guān)的校準命令,并讀取校準得到的偏移寄存器值和增益寄存器值,把數(shù)值保存在寄存器中。

(3) ZigBee無線通信測試。設(shè)置其中1個插座的ZigBee模塊為協(xié)調(diào)器節(jié)點,其余4個插座的ZigBee模塊配置為終端節(jié)點。測試結(jié)果表明,插座之間能夠通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進行通信。經(jīng)過不斷的調(diào)試、修改程序,實現(xiàn)了遠程控制插座電流的通斷、定時開啟與關(guān)閉插座、待機自動斷電等功能。

5結(jié)語

提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能家居插座系統(tǒng)設(shè)計方案,滿足智能家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性的要求,安裝簡單且無需布線,后期維護方便,采用低功耗通信模塊,并能根據(jù)負載工作情況檢測其電流變化,實現(xiàn)過載自動保護、電器待機自動切斷等功能,全面地測量電網(wǎng)參數(shù),不僅為用戶分析電器用電情況,還為國家智能電網(wǎng)的構(gòu)建提供參數(shù)依據(jù)。

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Design of Intelligent Socket System Based on ZigBee

ZHANG Sai,GUO Jiahu,LIU Weiguo,WANG Fangfang

(College of Electric and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Abstract：This paper designed an intelligent socket system based on ZigBee technology,which can remotely control the intelligent socket on and off through the handheld terminal and ZigBee network,so as to realize the opening and closing of home appliance equipment,and avoid the unnecessary power consumption standby.The test results show that the socket system can monitor the family electrical equipment in real-time and display the power consumption.It helps customers reasonably adjust the power equipment and power consumption time,in order to effectively reduce the energy consumption.

Key words:ZigBee technology; intelligent socket; hareware circuit design; software design; real-time monitor

收稿日期：2015-12-02

郭家虎(1974—),男,教授,研究方向為計算機控制及無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

劉為國(1977—),男,副教授,研究方向為微機測控及煤礦自動化。