基于ZigBee技術(shù)的高校宿舍樓用電安全的應(yīng)用

安科瑞電氣股份有限公司 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(xué)生在追求宿舍舒適環(huán)境的同時(shí)也造成了電能浪費(fèi)的現(xiàn)象。宿舍內(nèi)大功率設(shè)備的使用，宿舍內(nèi)“無(wú)人燈"“無(wú)人風(fēng)扇"等現(xiàn)象的存在，宿舍內(nèi)空調(diào)溫度過(guò)低或過(guò)高現(xiàn)象，都使得宿舍樓用電過(guò)度出現(xiàn)用電浪費(fèi)現(xiàn)象，尤其是大功率設(shè)備的使用也會(huì)使得宿舍出現(xiàn)一定的安全隱患。本文介紹了基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下，通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)采集宿舍內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)宿舍樓內(nèi)宿舍樓用電的智能控制，達(dá)到節(jié)約電能及消除用電安全隱患的目的。

關(guān)鍵詞:ZigBee技術(shù)；傳感器；智能控制

 

       通過(guò)對(duì)高校宿舍用電情況分析發(fā)現(xiàn)，宿舍內(nèi)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(shí)，高校學(xué)生在校用電行為也在發(fā)生著悄然改變。據(jù)調(diào)查高校學(xué)生在用電行為方面存在以下問(wèn)題：用電行為遵從方便和舒適原則；使用大功率用電設(shè)備現(xiàn)象十分嚴(yán)重；個(gè)體較少購(gòu)買(mǎi)節(jié)能、節(jié)電產(chǎn)品；宿舍成員間無(wú)明顯的制止用電浪費(fèi)行為。如何能有效地促進(jìn)高校宿舍用電節(jié)能，各高校也在采取各種措施應(yīng)對(duì)。高校除了從行為規(guī)范方面進(jìn)行管理之外，還可以從技術(shù)控制方面進(jìn)行管理。目前普通高校一般采用分時(shí)段控制管理宿舍用電，在上課時(shí)間段關(guān)閉整個(gè)宿舍照明用電，在晚上六點(diǎn)以后開(kāi)啟宿舍用電。這種方式給學(xué)生在宿舍用電造成了一定的限制。照明線路的控制主要可以分為有線控制和無(wú)線控制，照明線路的有線控制控制簡(jiǎn)單，但布線復(fù)雜；基于無(wú)線通信技術(shù)的照明控制系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)。目前室內(nèi)通信比較主流的技術(shù)有藍(lán)牙、ZigBee技術(shù)、WiFi技術(shù)等。因此我們可以利用這些通信技術(shù)，對(duì)宿舍樓內(nèi)各房間用電照明進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。本文將介紹基于ZigBee技術(shù)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)，將宿舍內(nèi)各方面照明用電系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)，并通過(guò)WiFi技術(shù)與PC機(jī)端相連，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)宿舍樓各個(gè)照明節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程協(xié)助控制。

 

1.1手動(dòng)控制模式

       為了便于檢修，宿舍回路的通斷采用了自動(dòng)及手動(dòng)控制兩種方式，通過(guò)電氣柜上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，如圖1所示，當(dāng)QF閉合情況下，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)2接通時(shí)，宿舍內(nèi)照明的通斷主要由手動(dòng)開(kāi)關(guān)S控制。手動(dòng)控制*獨(dú)立于自動(dòng)控制，這便于物業(yè)管理人員對(duì)回路進(jìn)行檢修。

1.2自動(dòng)控制模式

       當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)3接通時(shí)，宿舍用電回路處于自動(dòng)狀態(tài)。自動(dòng)控制在控制方面可以設(shè)計(jì)為無(wú)線控制與時(shí)間控制共同控制，當(dāng)無(wú)線控制出現(xiàn)故障是，可以采用時(shí)間控制進(jìn)行自動(dòng)控制?？刂齐娐啡鐖D2所示。

 

 

圖1手自動(dòng)控制電路

圖2控制電路

       為了保障控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)線控制與時(shí)間控制采用互鎖控制方式，KA3是ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中控制節(jié)點(diǎn)控制的繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)，KA4是時(shí)間控制器的常開(kāi)觸點(diǎn)，當(dāng)宿舍內(nèi)光線較暗，控制節(jié)點(diǎn)接收到動(dòng)作信號(hào)時(shí)，KA3常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，對(duì)應(yīng)的主電路控制器KM1主觸頭就閉合，照明回路通電；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)光線達(dá)到照明要求，KA3常開(kāi)觸點(diǎn)沒(méi)有吸合，照明回路處于斷開(kāi)狀態(tài)。如果現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，無(wú)線控制出現(xiàn)故障，時(shí)間控制器則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)照明回路的控制，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)是由上位機(jī)和ZigBee建立的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成，宿舍管理人員可以通過(guò)上位機(jī)的交互界面對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組建及宿舍內(nèi)照明及插座用電的智能控制。ZigBee當(dāng)經(jīng)緯度控制器控制的常開(kāi)觸點(diǎn)KA4閉合時(shí)，對(duì)應(yīng)的主電路接觸器KM2主觸頭閉合，照明回路通電，并且由于KA3和KA4常閉觸點(diǎn)的串接，使得無(wú)線控制與經(jīng)緯度時(shí)間控制實(shí)現(xiàn)了互鎖的功能，保障在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制發(fā)生故障時(shí)，照明回路依然能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

1.3無(wú)線網(wǎng)路控制整體設(shè)計(jì)方案

       目前無(wú)線網(wǎng)路傳輸技術(shù)有很多種，而ZigBee技術(shù)以低功耗、低成本、通信時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸數(shù)據(jù)可靠、安全性高等多方面優(yōu)勢(shì)，在短距離無(wú)線網(wǎng)路傳輸中占據(jù)越來(lái)越強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。常用的藍(lán)牙、WiFi、ZigBee技術(shù)比較如表1所示。

 

 

表1近距離無(wú)線通信技術(shù)比較表

 

       從表1中可以看出，ZigBee技術(shù)可以組建一個(gè)具有65535個(gè)可以互相通信的無(wú)線數(shù)傳模塊網(wǎng)路平臺(tái)，ZigBee技術(shù)的聯(lián)網(wǎng)時(shí)間為30ms，而設(shè)備的休眠激活時(shí)延達(dá)到了15ms，ZigBee功耗低，其發(fā)射功率為毫瓦級(jí)別，兩節(jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，ZigBee技術(shù)傳輸距離可以在10-75m的范圍內(nèi)。ZigBee技術(shù)工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915MHz（美國(guó)流行）3個(gè)頻段上，分別具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，ZigBee模塊的成本優(yōu)勢(shì)也逐漸凸顯，綜上所述，ZigBee技術(shù)是比較適合于宿舍內(nèi)照明無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能控制。宿舍樓用電無(wú)線智能控制整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

       無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee技術(shù)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。其中ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)路的建立、監(jiān)管和維護(hù)，與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，將從采集到的信息數(shù)據(jù)通過(guò)串口與上位機(jī)通信，并向下傳達(dá)監(jiān)控命令，從而達(dá)到建立及監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)路的目的。整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)，中間路由器節(jié)點(diǎn)起到數(shù)據(jù)信號(hào)中間傳遞作用，根據(jù)需要每層樓都會(huì)設(shè)置幾臺(tái)中間路由器，終端節(jié)點(diǎn)可以與協(xié)調(diào)器之間通信，但是當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)之間的距離超出兩者的通訊距離時(shí)，路由器可充當(dāng)中繼作用，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。而且終端節(jié)點(diǎn)之間是沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)通信功能。終端節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)傳感器對(duì)宿舍周圍環(huán)境光線進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)宿舍內(nèi)沒(méi)有人員活動(dòng)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉照明系統(tǒng)，但是當(dāng)晚間到達(dá)規(guī)定時(shí)間時(shí)，時(shí)間經(jīng)緯控制會(huì)自動(dòng)切換到手動(dòng)控制模式，宿舍內(nèi)照明燈的控制可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。對(duì)于宿舍內(nèi)大功率設(shè)備的使用，電流傳感器將大電流信號(hào)傳遞給ZigBee的終端設(shè)備，上位機(jī)及宿舍內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)，對(duì)管理人員及宿舍人員起到提醒和控制的目的。

 

       ZigBee無(wú)線傳感器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)三部分，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硬件芯片主要采用的是CC2530作為核心芯片進(jìn)行開(kāi)發(fā)。CC2530是專門(mén)針對(duì)IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的單芯片解決方案，經(jīng)濟(jì)而且功耗低，是目前ZigBee技術(shù)開(kāi)發(fā)的主流芯片，應(yīng)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(fā)機(jī)及業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051微控制器，8-KB的RAM和其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)。CC2530芯片具有不同的運(yùn)行模式，尤其是適應(yīng)低功耗的系統(tǒng)，運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)間短。在掉電模式下，只有睡眠定時(shí)運(yùn)行時(shí)，僅有不到1μA的電流損耗，而且具有強(qiáng)大的地址識(shí)別和數(shù)據(jù)包處理引擎。

2.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

       協(xié)調(diào)器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中起到至關(guān)重要的作用，因此在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中也只有一個(gè)協(xié)調(diào)器。它的主要工作就是組建自己的網(wǎng)絡(luò)。上電激活協(xié)調(diào)器后，它會(huì)自動(dòng)進(jìn)行搜索，當(dāng)組建網(wǎng)絡(luò)之后，協(xié)調(diào)器的作用便會(huì)弱化，起到和路由器相同的作用。本系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器可以設(shè)置在宿舍管理員的控制室內(nèi)，便于將信息從協(xié)調(diào)器傳輸至上位機(jī)，便于管理人員對(duì)宿舍用電的交互管理和維護(hù)。CC2530有兩個(gè)串行通信接口USART0和USART1，可以利用這兩個(gè)串口實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與PC機(jī)的通信。網(wǎng)路中路由器在網(wǎng)絡(luò)中具有組織網(wǎng)絡(luò)、自我修復(fù)網(wǎng)絡(luò)等作用，當(dāng)然也具備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊的功能。在宿舍樓內(nèi)，可以根據(jù)每層樓宿舍個(gè)數(shù)設(shè)置路由器節(jié)點(diǎn)，使得整棟宿舍樓都能在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。

2.2終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

       終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中就是前端部分，也是ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗特點(diǎn)的核心部分，在工作時(shí)可以在激活狀態(tài)和睡眠狀態(tài)進(jìn)行切換。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要通過(guò)采集各種傳感器數(shù)據(jù)對(duì)繼電器進(jìn)行控制等作用。本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)可以分為傳感器和控制兩部分，要實(shí)現(xiàn)宿舍內(nèi)照明的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，選用了HC-SR501人體傳感器、光電傳感模塊（如BH1750FV1）實(shí)現(xiàn)對(duì)光線及人員流動(dòng)性的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，插座回路部分通過(guò)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)回路電流數(shù)據(jù)的采集；控制部分主要是繼電器控制模塊，CC2530芯片可以通過(guò)輸出端口實(shí)現(xiàn)相關(guān)繼電器的控制。終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4終端節(jié)點(diǎn)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作為電源供電，其中HLK-PM01集成電源模塊是智能家居中AC-DC轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，它可以將220V交流電轉(zhuǎn)為5V穩(wěn)壓直流電，為傳感器等模塊進(jìn)行供電，電路圖如圖5（a）所示，其中在電源模塊輸出端需要并濾波電容（10μF和0.1μF）?？梢圆捎肁MS1117-3.3模塊對(duì)核心模塊CC2530進(jìn)行供電，這是一款優(yōu)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(zhuǎn)換為3.3V直流電，并且確保電源輸出的穩(wěn)定性。AMS1117-3.3電路如圖5（b）所示。

圖5電源模塊電路圖

       軟件設(shè)計(jì)是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可以基于TI公司開(kāi)發(fā)的Z-stack協(xié)議棧作為開(kāi)發(fā)模板。TI的Z-stack裝載在一個(gè)基于IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境的工程里，強(qiáng)大的IAREmbeddedWorkbench除了提供編譯下載功能外，還可以結(jié)合編程器進(jìn)行單步跟蹤調(diào)試和監(jiān)測(cè)片上寄存器、Flash數(shù)據(jù)等。Z-Stack是采用操作系統(tǒng)的思想來(lái)構(gòu)建，事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開(kāi)始進(jìn)入終端處理事件，結(jié)束后進(jìn)入低功耗模式，此種軟件構(gòu)架可以降低系統(tǒng)的功耗。整個(gè)Z-stack的主要工作流程，大致可以分為系統(tǒng)啟動(dòng)、驅(qū)動(dòng)初始化、OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入任務(wù)循環(huán)幾個(gè)階段。系統(tǒng)上電后，通過(guò)執(zhí)行ZMain文件夾中的ZMain.C的ZSEGintmain（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)硬件的初始化，OSAL是協(xié)議棧的核心，Z-Stack的任何一個(gè)子系統(tǒng)都作為OSAL的一個(gè)任務(wù)，因此在開(kāi)發(fā)應(yīng)用層的時(shí)候，通過(guò)創(chuàng)建OSAL任務(wù)來(lái)運(yùn)行應(yīng)用程序。本系統(tǒng)主要由主程序、時(shí)鐘控制程序、傳感器采集程序、ZigBee通信程序、負(fù)載過(guò)大報(bào)警程序、機(jī)房管理程序、終端控制程序等幾部分構(gòu)成。主程序流程圖如圖6所示，設(shè)備上電初始化后并完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建。

圖6主程序流程圖

       根據(jù)時(shí)鐘程序判斷時(shí)間段，在熄燈期間，照明燈處于關(guān)閉狀態(tài)，白天時(shí)宿舍內(nèi)的照明實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)終端傳感器設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)傳輸至控制中心的PC機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)宿舍管理員對(duì)宿舍內(nèi)用電情況觀測(cè)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。當(dāng)宿舍內(nèi)使用大負(fù)載的用電設(shè)備時(shí)，宿舍發(fā)出警報(bào)的同時(shí)上位機(jī)上也對(duì)此進(jìn)行記錄，報(bào)警10S后，判斷大功率用電設(shè)備是否取消，如果繼續(xù)使用，則對(duì)宿舍插座回路進(jìn)行斷電，同時(shí)在PC機(jī)上對(duì)該宿舍內(nèi)用電情況進(jìn)行記錄。

 

4.1系統(tǒng)方案

       系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺(tái)集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費(fèi)電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計(jì)量箱ADF300L系列，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)管理等功能。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，達(dá)到先交費(fèi)后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。

4.2系統(tǒng)功能

       AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)由云平臺(tái)-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)電能表組成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報(bào)警等功能。

       本系統(tǒng)適用于一些大集團(tuán)和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費(fèi)和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財(cái)務(wù)操作分散，在線支付，總部財(cái)務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。

       遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，快速便捷，免去人工抄表。

       水表預(yù)付費(fèi):可是查看某區(qū)域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設(shè)置水價(jià)控閥等操作。

       遠(yuǎn)程售電:財(cái)務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對(duì)充值次數(shù)，方便快捷。

       能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)付費(fèi)表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財(cái)務(wù)軌跡一體式綜合管理報(bào)表，包含用戶表的能耗、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財(cái)務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。

       在線支付:商戶可以通過(guò)小程序或者微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)在線自助充值水電費(fèi)，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用電情況。

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

 

 

       遠(yuǎn)程控制:可對(duì)任意一塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等一系列遠(yuǎn)程控制操作，方便管理。

 

4.3產(chǎn)品選型