◆董天昊 王琮澤 張 豪 韓 攀 張镕昊 王 雷

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基于zigbee技術(shù)的智能節(jié)能插座設(shè)計(jì)

◆董天昊 王琮澤 張 豪 韓 攀 張镕昊 王 雷

（吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院 吉林 130021）

當(dāng)前的節(jié)能方式已趨于飽和狀態(tài)，智能節(jié)能系統(tǒng)能夠?yàn)槿祟愄峁└虞p松、有序、高效的節(jié)能方式，是一種新的節(jié)能趨勢(shì)，基于 ZIGBEE無(wú)線通信技術(shù)的智能節(jié)能插座是一種全新的節(jié)能設(shè)計(jì)理念，目的是為人類提供一種智能化和信息化的家居系統(tǒng)。本文通過(guò)與傳統(tǒng)節(jié)能方式進(jìn)行對(duì)比，分析了節(jié)能的的目的及意義，闡述了智能節(jié)能插座的特征，對(duì)智能節(jié)能插座分析、對(duì)比和研究。將zigbee技術(shù)運(yùn)用于插座系統(tǒng)中，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控用戶電能的使用情況，減少電能的消耗，提高電能的利用率。

ZIGBEE；節(jié)能；智能插座

0 引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，貫徹節(jié)能化、智能化、安全化的方針已經(jīng)成為節(jié)能系統(tǒng)發(fā)展的新趨向。而基于zigbee技術(shù)的智能節(jié)能系統(tǒng)提出了綠色、創(chuàng)新、安全的節(jié)能理念，基于目前科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，zigbee技術(shù)在智能節(jié)能插座領(lǐng)域的研究已不可同日而語(yǔ)。所以，本文在傳統(tǒng)節(jié)能研究的基礎(chǔ)上，把Zigbee無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于節(jié)能中，并提出一種采取Zigbee無(wú)線通信技術(shù)與普通插座相結(jié)合的節(jié)能設(shè)計(jì)方案。

1 基于zigbee技術(shù)的智能節(jié)能插座的特點(diǎn)

ZigBee是運(yùn)用在無(wú)線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中新興的無(wú)線通信技術(shù)，該通信技術(shù)可運(yùn)用于智能節(jié)能插座中，以傳感器為介質(zhì)，通過(guò)智能插座和主控制器連接，將數(shù)據(jù)傳送給主控制器，同時(shí)響應(yīng)主控器也能接受到命令，為了保證智能插座的正常工作。主控制器與智能插座形成穩(wěn)定的通信收集，通信過(guò)程中具有防止病毒感染、信息傳遞安全可靠的功能。

1.1 安全性

ZigBee無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)具有安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，通常來(lái)說(shuō)完整的 ZigBee的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該包括 IEEE802.15.4中界說(shuō)的 PHY層和 MAC層， MAC層的安全模式在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問題時(shí)可以舉行重發(fā)。同時(shí)，ZigBee無(wú)線通信技術(shù) 采取了 AES-128的加密算法，ZigBee供給了三級(jí)平安模式，各個(gè)利用可以矯捷肯定其平安屬性。此外，ZigBee無(wú)線通信技術(shù)特有的安全服務(wù)提供層提供了安全機(jī)制，服務(wù)機(jī)制具有安全可靠的特點(diǎn)。 值得注意的是，體系團(tuán)體平安性是在模板級(jí)界說(shuō)的，這意味著模板應(yīng)當(dāng)界說(shuō)某一特定收集中應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)何種范例的平安。另一方面，為滿足智能家居體系的需求，本文論述的新型智能插座具有過(guò)負(fù)載保護(hù)、超負(fù)荷保護(hù)以及短路保護(hù)功能，當(dāng)電路系統(tǒng)檢測(cè)出插座漏電便停止供電，在輸入電壓過(guò)高、輸入功率過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)斷開電源，以實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器及路線的保護(hù)。 目前，隨著全國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展和進(jìn)步，計(jì)算機(jī)成為日常生活的必需品，因此主路控制型智能插座也在生活中發(fā)揮出巨大的作用。 主路控制型智能插座以主路為核心，輔路作為基礎(chǔ)，控制輸入電壓和輸入功率，避免線路出現(xiàn)短路情況，引起火災(zāi)的發(fā)生。

1.2 節(jié)能化

眾所周知，節(jié)能已經(jīng)成為了當(dāng)今世界的主題，在科技高速發(fā)展的時(shí)代，各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者日復(fù)一日的圍著節(jié)能的目標(biāo)而奮進(jìn)?；趜igbee無(wú)線通信技術(shù)的智能節(jié)能插座的出現(xiàn)，節(jié)能方式開創(chuàng)了新的紀(jì)元。近幾年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和人民物質(zhì)生活水平的不斷提高。 插座已經(jīng)不再扮演一個(gè)普通的角色，我們將 zigbee技術(shù)運(yùn)用于插座中，創(chuàng)造出一種新型的插座，該智能節(jié)能插座具有檢測(cè)功能，能夠?qū)﹄娐废到y(tǒng)中輸入電壓、輸入電流、輸入功率做出監(jiān)測(cè)，另一方面，用戶還可以對(duì)生活中的電器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 對(duì)待機(jī)狀況提出可行性闡發(fā)，對(duì)用電量舉行參考，及時(shí)監(jiān)測(cè)用電的環(huán)境，節(jié)省不必要的電能損失。 智能插座的定時(shí)功能可以對(duì)用戶提供分時(shí)供電，在電價(jià)便宜的時(shí)候啟動(dòng)熱水器、洗衣機(jī)等工作，從而節(jié)約電費(fèi)，該智能節(jié)能插座可利用單片機(jī)對(duì)串行口進(jìn)行編程，利用時(shí)鐘電路實(shí)現(xiàn)定時(shí)開關(guān)的功能， 最大化的提高電能的利用率。

1.3 智能化

基于 zigbee無(wú)線通信技術(shù)的智能節(jié)能插座主要是實(shí)現(xiàn)控制電源的開斷，物聯(lián)網(wǎng)伴隨著計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的興起之后， 成為當(dāng)下炙手可熱的研究方向，網(wǎng)絡(luò)化必然成為重點(diǎn)的研究領(lǐng)域。 隨著當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，智能插座與計(jì)算機(jī)已經(jīng)密不可分，本地計(jì)算機(jī)可通過(guò)本地網(wǎng)絡(luò)與嵌入式主控制器毗連通訊，利用家庭中的安防系統(tǒng)，對(duì)用戶的生活狀態(tài)進(jìn)行查看。從遠(yuǎn)程控制角度分析，通過(guò)主控制器與 Internet共享網(wǎng)絡(luò)相互連接，家庭用戶可操縱遠(yuǎn)程端的個(gè)人計(jì)算機(jī)在家庭網(wǎng)絡(luò)完成登錄設(shè)置，同時(shí)，個(gè)人用戶也可以通過(guò)手機(jī)或者平板電腦使用4G網(wǎng)登錄 Internet，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制， 而且能夠?qū)崟r(shí)、實(shí)地地完成數(shù)據(jù)的傳輸。為了保證智能家居系統(tǒng)的安全性，進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制操作必須擁有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)允許協(xié)議。

2 基于zigbee技術(shù)的智能節(jié)能插座的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 zigbee結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

通常來(lái)說(shuō)完整的zigbee結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以IEEE 802.15.4的尺度界說(shuō)PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。此中，PHY層主要由射頻收發(fā)器和底部的通信模塊兩部分組成；MAC子層作為物理信息的訪問高層，以IP地址的形式為串行口提供點(diǎn)到點(diǎn)通信方式。 MAC協(xié)議的功能主要是對(duì)系統(tǒng)模式的幀的傳送與接收進(jìn)行確認(rèn)并對(duì)于信道接入進(jìn)行控制；另外一方面，對(duì)同步網(wǎng)絡(luò)完成構(gòu)建、檢測(cè)、維護(hù)、檢修結(jié)束的操作。MAC層的指令操作主要分成四種格式，主要包括信標(biāo)幀、確認(rèn)幀、MAC命令幀以及數(shù)據(jù)幀。 另外，協(xié)議數(shù)據(jù)單元的最大長(zhǎng)度為127字節(jié)，PHY子層的界定是一種與外部接口進(jìn)行信息交流、信息傳遞的芯片，主要以物理層的方式體現(xiàn)。 具體來(lái)說(shuō) PHY子層代表的就是一種以太網(wǎng)芯片，現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)處不在的網(wǎng)卡，無(wú)論是網(wǎng)上地址訪問還是網(wǎng)絡(luò)游戲，網(wǎng)卡在互聯(lián)網(wǎng)紀(jì)元中都扮演了一個(gè)重要的角色。 對(duì)于zigbee設(shè)備而言，如果想要實(shí)現(xiàn)zigbee的功能和服務(wù)，即進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信來(lái)說(shuō)，只需要實(shí)現(xiàn)PHY層和MAC子層的功能即可。 根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，具有多種設(shè)計(jì)方案，從經(jīng)濟(jì)成本和節(jié)約能源的方向定義，本文選擇具有集成功能的SOC芯片，內(nèi)部帶有MCU，可實(shí)現(xiàn)單片解決方案。

2.2 智能節(jié)能插座的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能節(jié)能插座的電路系統(tǒng)主要以微型計(jì)算機(jī)處理器為核心，其他部分主要包括交流直流電源轉(zhuǎn)換、輸入端信號(hào)檢測(cè)、輸出功率控制、通信模塊等。 微型計(jì)算機(jī)處理器作為整個(gè)電路系統(tǒng)的核心，采用64位處理器并添加防護(hù)軟件，以實(shí)現(xiàn)信息交流、信息控制、通信檢測(cè)的功能； 交流直流電源轉(zhuǎn)換部功能是將380/220的交流電轉(zhuǎn)換為常用的直流電，這個(gè)過(guò)程稱之為整流。整流后的輸出功率必須滿足電路系統(tǒng)的要求；功率控制采取單相橋式不控整流器嵌入Boost升壓電路后可完成網(wǎng)側(cè)單位功率因子控制，改善用電質(zhì)量。 信號(hào)測(cè)量部分將輸入電壓和輸入電流轉(zhuǎn)換成弱信號(hào)，再輸入到計(jì)量芯片中，電路系統(tǒng)中的交直轉(zhuǎn)換電路以及數(shù)字運(yùn)算電路可對(duì)其電壓有效值、電流有效值進(jìn)行計(jì)算再反饋到微處理器中。通信模塊的實(shí)現(xiàn)基于 PHY層和 MAC子層的功能，對(duì)于整個(gè)電路系統(tǒng)而言，智能節(jié)能插座的實(shí)現(xiàn)方式和zigbee技術(shù)是密不可分的，嚴(yán)格意義上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為智能節(jié)能插座提供了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

基于 zigbee技術(shù)的智能節(jié)能插座開創(chuàng)了新的節(jié)能時(shí)代，其具有的低消耗、節(jié)能性、安全性的節(jié)能特點(diǎn)， 可提高電能的利用率，智能節(jié)能插座是智能家居系統(tǒng)的重要組成部分，可方便地實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的監(jiān)測(cè)、控制及數(shù)據(jù)傳輸， 這是一個(gè)能夠改變?nèi)藗兩罘绞降漠a(chǎn)品，相信智能節(jié)能插座憑借其智能化、節(jié)能化、人性化的優(yōu)勢(shì)也會(huì)迎來(lái)雨后春筍式的發(fā)展。縱觀當(dāng)今世界的發(fā)展，科技創(chuàng)新更加廣泛的影響著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活，科技發(fā)展水平更加深刻的反映出一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力和核心競(jìng)爭(zhēng)力。亦如伯格森所說(shuō)“對(duì)新的對(duì)象必須創(chuàng)出全新的概念”，因此基于zigbee技術(shù)的智能節(jié)能插座將創(chuàng)造出一種全新的節(jié)能方式，同時(shí)也會(huì)為節(jié)能做出巨大的貢獻(xiàn)。

[1]宋艷霞. 基于 ZigBee 的智能照明設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 中北大學(xué), 2013.

[2]周武斌. ZigBee 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的研究 [D][D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué), 2009.

2018年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201810191104 ）。