基於ZigBee技術的高校宿舍樓用電安全的應用

簡婷

开云体育手机下载教程 上海嘉定 201801

摘要：高校宿舍樓用電是校園電能消耗的重要組成部分，學生在追求宿舍舒適環境的同時也造成了電能浪費的現象。宿舍內(nei) 大功率設備的使用，宿舍內(nei) “無人燈"“無人風扇"等現象的存在，宿舍內(nei) 空調溫度過低或過高現象，都使得宿舍樓用電過度出現用電浪費現象，尤其是大功率設備的使用也會(hui) 使得宿舍出現一定的安全隱患。本文介紹了基於(yu) ZigBee無線網絡技術下，通過終端節點采集宿舍內(nei) 的傳(chuan) 感器數據，從(cong) 而實現宿舍樓內(nei) 宿舍樓用電的智能控製，達到節約電能及消除用電安全隱患的目的。

關(guan) 鍵詞:ZigBee技術；傳(chuan) 感器；智能控製

0 引言

      通過對高校宿舍用電情況分析發現，宿舍內(nei) 用電比例在高校電能能耗中的比例有所提高。在生活水平提高的同時，高校學生在校用電行為(wei) 也在發生著悄然改變。據調查高校學生在用電行為(wei) 方麵存在以下問題：用電行為(wei) 遵從(cong) 方便和舒適原則；使用大功率用電設備現象十分嚴(yan) 重；個(ge) 體(ti) 較少購買(mai) 節能、節電產(chan) 品；宿舍成員間無明顯的製止用電浪費行為(wei) 。如何能有效地促進高校宿舍用電節能，各高校也在采取各種措施應對。高校除了從(cong) 行為(wei) 規範方麵進行管理之外，還可以從(cong) 技術控製方麵進行管理。目前普通高校一般采用分時段控製管理宿舍用電，在上課時間段關(guan) 閉整個(ge) 宿舍照明用電，在晚上六點以後開啟宿舍用電。這種方式給學生在宿舍用電造成了一定的限製。照明線路的控製主要可以分為(wei) 有線控製和無線控製，照明線路的有線控製控製簡單，但布線複雜；基於(yu) 無線通信技術的照明控製係統布線簡單，可擴展性強。目前室內(nei) 通信比較主流的技術有藍牙、ZigBee技術、WiFi技術等。因此我們(men) 可以利用這些通信技術，對宿舍樓內(nei) 各房間用電照明進行遠程監控和管理。本文將介紹基於(yu) ZigBee技術的組網設計，將宿舍內(nei) 各方麵照明用電係統進行組網，並通過WiFi技術與(yu) PC機端相連，從(cong) 而可以實現對整個(ge) 宿舍樓各個(ge) 照明節點的遠程協助控製。

1係統控製的整體(ti) 方案設計

1.1手動控製模式

      為(wei) 了便於(yu) 檢修，宿舍回路的通斷采用了自動及手動控製兩(liang) 種方式，通過電氣櫃上的轉換開關(guan) 進行切換，如圖1所示，當QF閉合情況下，轉換開關(guan) 的觸點2接通時，宿舍內(nei) 照明的通斷主要由手動開關(guan) S控製。手動控製*獨立於(yu) 自動控製，這便於(yu) 物業(ye) 管理人員對回路進行檢修。

1.2自動控製模式

      當轉換開關(guan) 的觸點3接通時，宿舍用電回路處於(yu) 自動狀態。自動控製在控製方麵可以設計為(wei) 無線控製與(yu) 時間控製共同控製，當無線控製出現故障是，可以采用時間控製進行自動控製。控製電路如圖2所示。

圖1手自動控製電路

圖2控製電路

      為(wei) 了保障控製係統的穩定運行，無線控製與(yu) 時間控製采用互鎖控製方式，KA3是ZigBee無線傳(chuan) 感器網絡中控製節點控製的繼電器常開觸點，KA4是時間控製器的常開觸點，當宿舍內(nei) 光線較暗，控製節點接收到動作信號時，KA3常開觸點閉合，對應的主電路控製器KM1主觸頭就閉合，照明回路通電；當現場光線達到照明要求，KA3常開觸點沒有吸合，照明回路處於(yu) 斷開狀態。如果現場使用過程中，無線控製出現故障，時間控製器則可以實現對照明回路的控製，整體(ti) 係統設計是由上位機和ZigBee建立的無線網絡組成，宿舍管理人員可以通過上位機的交互界麵對ZigBee網絡進行組建及宿舍內(nei) 照明及插座用電的智能控製。ZigBee當經緯度控製器控製的常開觸點KA4閉合時，對應的主電路接觸器KM2主觸頭閉合，照明回路通電，並且由於(yu) KA3和KA4常閉觸點的串接，使得無線控製與(yu) 經緯度時間控製實現了互鎖的功能，保障在無線網絡控製發生故障時，照明回路依然能實現自動控製。

1.3無線網路控製整體(ti) 設計方案

      目前無線網路傳(chuan) 輸技術有很多種，而ZigBee技術以低功耗、低成本、通信時延短、網絡容量大、傳(chuan) 輸數據可靠、安全性高等多方麵優(you) 勢，在短距離無線網路傳(chuan) 輸中占據越來越強的優(you) 勢。常用的藍牙、WiFi、ZigBee技術比較如表1所示。

表1近距離無線通信技術比較表

      從(cong) 表1中可以看出，ZigBee技術可以組建一個(ge) 具有65535個(ge) 可以互相通信的無線數傳(chuan) 模塊網路平台，ZigBee技術的聯網時間為(wei) 30ms，而設備的休眠激活時延達到了15ms，ZigBee功耗低，其發射功率為(wei) 毫瓦級別，兩(liang) 節5號電池就可以維持長達6個(ge) 月到2年左右的使用時間，ZigBee技術傳(chuan) 輸距離可以在10-75m的範圍內(nei) 。ZigBee技術工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915MHz（美國流行）3個(ge) 頻段上，分別具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳(chuan) 輸速率。隨著技術的不斷發展，ZigBee模塊的成本優(you) 勢也逐漸凸顯，綜上所述，ZigBee技術是比較適合於(yu) 宿舍內(nei) 照明無線網絡的智能控製。宿舍樓用電無線智能控製整體(ti) 係統設計如圖3所示。

圖3係統結構框圖

      無線網絡主要由ZigBee技術協調器節點、路由節點及終端節點構成。其中ZigBee協調器負責整個(ge) 網路的建立、監管和維護，與(yu) 上位機實現數據的雙向傳(chuan) 輸，將從(cong) 采集到的信息數據通過串口與(yu) 上位機通信，並向下傳(chuan) 達監控命令，從(cong) 而達到建立及監控整個(ge) 網路的目的。整個(ge) 無線網絡采用樹形結構，中間路由器節點起到數據信號中間傳(chuan) 遞作用，根據需要每層樓都會(hui) 設置幾台中間路由器，終端節點可以與(yu) 協調器之間通信，但是當終端節點與(yu) 協調之間的距離超出兩(liang) 者的通訊距離時，路由器可充當中繼作用，進行數據的轉發。而且終端節點之間是沒有辦法實現通信功能。終端節點可以通過傳(chuan) 感器對宿舍周圍環境光線進行檢測，當宿舍內(nei) 沒有人員活動時自動關(guan) 閉照明係統，但是當晚間到達規定時間時，時間經緯控製會(hui) 自動切換到手動控製模式，宿舍內(nei) 照明燈的控製可以實現手動控製。對於(yu) 宿舍內(nei) 大功率設備的使用，電流傳(chuan) 感器將大電流信號傳(chuan) 遞給ZigBee的終端設備，上位機及宿舍內(nei) 都會(hui) 出現報警信號，對管理人員及宿舍人員起到提醒和控製的目的。

2 硬件設計

      ZigBee無線傳(chuan) 感器係統的硬件設計主要是協調器節點、路由節點及終端節點三部分，係統節點硬件芯片主要采用的是CC2530作為(wei) 核心芯片進行開發。CC2530是專(zhuan) 門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決(jue) 方案，經濟而且功耗低，是目前ZigBee技術開發的主流芯片，應用廣泛。CC2530芯片有四種不同的版本，CC2530-F32/64/128/256，這是指分包帶有32/64/128/256的閃存空間，芯片整合了全集成的高效射頻收發機及業(ye) 界標準的增強型8051微控製器，8-KB的RAM和其他強大的支持功能和外設。CC2530芯片具有不同的運行模式，尤其是適應低功耗的係統，運行模式之間轉換時間短。在掉電模式下，隻有睡眠定時運行時，僅(jin) 有不到1μA的電流損耗，而且具有強大的地址識別和數據包處理引擎。

2.1協調器節點的硬件設計

      協調器在ZigBee網絡中起到至關(guan) 重要的作用，因此在整個(ge) 網絡中也隻有一個(ge) 協調器。它的主要工作就是組建自己的網絡。上電激活協調器後，它會(hui) 自動進行搜索，當組建網絡之後，協調器的作用便會(hui) 弱化，起到和路由器相同的作用。本係統的協調器可以設置在宿舍管理員的控製室內(nei) ，便於(yu) 將信息從(cong) 協調器傳(chuan) 輸至上位機，便於(yu) 管理人員對宿舍用電的交互管理和維護。CC2530有兩(liang) 個(ge) 串行通信接口USART0和USART1，可以利用這兩(liang) 個(ge) 串口實現協調器與(yu) PC機的通信。網路中路由器在網絡中具有組織網絡、自我修複網絡等作用，當然也具備實現數據的轉發和子節點進行通訊的功能。在宿舍樓內(nei) ，可以根據每層樓宿舍個(ge) 數設置路由器節點，使得整棟宿舍樓都能在無線網絡中。

2.2終端節點的硬件設計

      終端設備節點在整個(ge) 網絡中就是前端部分，也是ZigBee技術實現低功耗特點的核心部分，在工作時可以在激活狀態和睡眠狀態進行切換。終端設備節點主要通過采集各種傳(chuan) 感器數據對繼電器進行控製等作用。本係統的終端節點可以分為(wei) 傳(chuan) 感器和控製兩(liang) 部分，要實現宿舍內(nei) 照明的自動開啟和關(guan) 閉，選用了HC-SR501人體(ti) 傳(chuan) 感器、光電傳(chuan) 感模塊（如BH1750FV1）實現對光線及人員流動性的檢測，實現相關(guan) 數據的采集，插座回路部分通過霍爾傳(chuan) 感器實現對回路電流數據的采集；控製部分主要是繼電器控製模塊，CC2530芯片可以通過輸出端口實現相關(guan) 繼電器的控製。終端節點硬件設計框圖如圖4所示。

圖4終端節點硬件框圖

      在電源供電部分，可以采用HLK-PM01集成電源模塊和用AMS1117-3.3作為(wei) 電源供電，其中HLK-PM01集成電源模塊是智能家居中AC-DC轉換開關(guan) ，它可以將220V交流電轉為(wei) 5V穩壓直流電，為(wei) 傳(chuan) 感器等模塊進行供電，電路圖如圖5（a）所示，其中在電源模塊輸出端需要並濾波電容（10μF和0.1μF）。可以采用AMS1117-3.3模塊對核心模塊CC2530進行供電，這是一款優(you) 秀的DC-DC模塊，它可以將HLK-PM01集成電源模塊輸出的5V電源轉換為(wei) 3.3V直流電，並且確保電源輸出的穩定性。AMS1117-3.3電路如圖5（b）所示。

圖5電源模塊電路圖

3係統軟件設計

      軟件設計是在硬件設計的基礎上進行的，它是實現係統功能的重要環節。係統節點設計可以基於(yu) TI公司開發的Z-stack協議棧作為(wei) 開發模板。TI的Z-stack裝載在一個(ge) 基於(yu) IAR開發環境的工程裏，強大的IAREmbeddedWorkbench除了提供編譯下載功能外，還可以結合編程器進行單步跟蹤調試和監測片上寄存器、Flash數據等。Z-Stack是采用操作係統的思想來構建，事件發生時，喚醒係統，開始進入終端處理事件，結束後進入低功耗模式，此種軟件構架可以降低係統的功耗。整個(ge) Z-stack的主要工作流程，大致可以分為(wei) 係統啟動、驅動初始化、OSAL初始化和啟動，進入任務循環幾個(ge) 階段。係統上電後，通過執行ZMain文件夾中的ZMain.C的ZSEGintmain（）函數實現硬件的初始化，OSAL是協議棧的核心，Z-Stack的任何一個(ge) 子係統都作為(wei) OSAL的一個(ge) 任務，因此在開發應用層的時候，通過創建OSAL任務來運行應用程序。本係統主要由主程序、時鍾控製程序、傳(chuan) 感器采集程序、ZigBee通信程序、負載過大報警程序、機房管理程序、終端控製程序等幾部分構成。主程序流程圖如圖6所示，設備上電初始化後並完成ZigBee網絡的組建。

圖6主程序流程圖

      根據時鍾程序判斷時間段，在熄燈期間，照明燈處於(yu) 關(guan) 閉狀態，白天時宿舍內(nei) 的照明實現自動控製，同時終端傳(chuan) 感器設備將采集的數據傳(chuan) 輸至控製中心的PC機內(nei) ，實現宿舍管理員對宿舍內(nei) 用電情況觀測，並進行遠程監控的功能。當宿舍內(nei) 使用大負載的用電設備時，宿舍發出警報的同時上位機上也對此進行記錄，報警10S後，判斷大功率用電設備是否取消，如果繼續使用，則對宿舍插座回路進行斷電，同時在PC機上對該宿舍內(nei) 用電情況進行記錄。

4 安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電雲(yun) 平台

4.1係統方案

      係統為(wei) B/S架構，主要包括前端管理網站和後台集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352係列以及多用戶計量箱ADF300L係列，實現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳(chuan) 閥控水表組成水電一體(ti) 預付費係統，達到先交費後用水的目的，剩餘(yu) 水量用完自動關(guan) 閥。

4.2係統功能

      AcrelCloud-3200預付費水電雲(yun) 平台由雲(yun) 平台-網關(guan) -預付費電能表組成，通過通信網絡完成係統到表的充值、查詢、監控、控製及短信報警等功能。

      本係統適用於(yu) 一些大集團和大物業(ye) ，往往需要將多個(ge) 物業(ye) 環境、分散於(yu) 各地的物業(ye) 集中式收費和管理，麵臨(lin) 著數據公網傳(chuan) 輸，財務操作分散，在線支付，總部財務紮口等複雜的需求。

      遠程集中抄表：抄表信息通過網關(guan) 實時上傳(chuan) 到雲(yun) 平台，快速便捷，免去人工抄表。

      水表預付費:可是查看某區域水表的實時狀態信息，並可以進行單表或批量設置水價(jia) 控閥等操作。

      遠程售電:財務集中管理，電量實時下發，並比對充值次數，方便快捷。

      能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務軌跡一體(ti) 式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務數據、能耗和財務的期初期末值等數據。

      在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾(zhong) 號實現在線自助充值水電費，也可以實時關(guan) 注商鋪用水用電情況。

      短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。

      遠程控製:可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一係列遠程控製操作，方便管理。

4.3產(chan) 品選型

5 結束語

      本文介紹了基於(yu) ZigBee技術的宿舍樓用電智能控製，在硬件及軟件方麵提出了設計設想，采用人體(ti) 紅外傳(chuan) 感器、光電傳(chuan) 感器、電流傳(chuan) 感器等對宿舍內(nei) 的數據進行采集，在規定的時間段內(nei) 實現照明燈的自動控製，同時對宿舍內(nei) 大功率設備使用情況進行檢測，通過ZigBee技術對出現超負荷運行情況進行自動斷電與(yu) 遠程控製。隨著技術的不斷發展，以及學生對宿舍環境要求的不斷提高，ZigBee技術還可以用於(yu) 宿舍內(nei) 照明光線的自動調節、空調溫度的自動調節等各個(ge) 方麵，宿舍樓在達到節約能源目的的同時，也為(wei) 學生們(men) 創造了更加美好舒適的生活環境。

【參考文獻】

【1】陳濱掖.基於(yu) ZigBee技術的高校宿舍樓用電控製探討

【2】顧金土，謝花.某高校大學生宿舍用電狀況的現狀調查與(yu) 分析[J].電力需求側(ce) 管理，2015，17（2）：32-34．

【3】安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2020.06

作者簡介：簡婷，女，現任職於(yu) 开云体育手机下载教程，主要從(cong) 事宿舍安全用電研究發展。