基于ZigBee技術的高校宿舍樓用電安全的應用

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。宿舍內大功率設備的使用，宿舍內“無人燈"“無人風扇"等現象的存在，宿舍內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使得宿舍出現一定的安全隱患。本文介紹了基于ZigBee無線網絡技術下，通過終端節點采集宿舍內的傳感器數據，從而實現宿舍樓內宿舍樓用電的智能控制，達到節約電能及消除用電安全隱患的目的。

關鍵詞:ZigBee技術；傳感器；智能控制

 

       通過對高校宿舍用電情況分析發現，宿舍內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也在發生著悄然改變。據調查高校學生在用電行為方面存在以下問題：用電行為遵從方便和舒適原則；使用大功率用電設備現象十分嚴重；個體較少購買節能、節電產品；宿舍成員間無明顯的制止用電浪費行為。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。高校除了從行為規范方面進行管理之外，還可以從技術控制方面進行管理。目前普通高校一般采用分時段控制管理宿舍用電，在上課時間段關閉整個宿舍照明用電，在晚上六點以后開啟宿舍用電。這種方式給學生在宿舍用電造成了一定的限制。照明線路的控制主要可以分為有線控制和無線控制，照明線路的有線控制控制簡單，但布線復雜；基于無線通信技術的照明控制系統布線簡單，可擴展性強。目前室內通信比較主流的技術有藍牙、ZigBee技術、WiFi技術等。因此我們可以利用這些通信技術，對宿舍樓內各房間用電照明進行遠程監控和管理。本文將介紹基于ZigBee技術的組網設計，將宿舍內各方面照明用電系統進行組網，并通過WiFi技術與PC機端相連，從而可以實現對整個宿舍樓各個照明節點的遠程協助控制。

 

1.1手動控制模式

       為了便于檢修，宿舍回路的通斷采用了自動及手動控制兩種方式，通過電氣柜上的轉換開關進行切換，如圖1所示，當QF閉合情況下，轉換開關的觸點2接通時，宿舍內照明的通斷主要由手動開關S控制。手動控制*獨立于自動控制，這便于物業管理人員對回路進行檢修。

1.2自動控制模式

       當轉換開關的觸點3接通時，宿舍用電回路處于自動狀態。自動控制在控制方面可以設計為無線控制與時間控制共同控制，當無線控制出現故障是，可以采用時間控制進行自動控制。控制電路如圖2所示。

 

 

圖1手自動控制電路

圖2控制電路

       為了保障控制系統的穩定運行，無線控制與時間控制采用互鎖控制方式，KA3是ZigBee無線傳感器網絡中控制節點控制的繼電器常開觸點，KA4是時間控制器的常開觸點，當宿舍內光線較暗，控制節點接收到動作信號時，KA3常開觸點閉合，對應的主電路控制器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，照明回路處于斷開狀態。如果現場使用過程中，無線控制出現故障，時間控制器則可以實現對照明回路的控制，整體系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面對ZigBee網絡進行組建及宿舍內照明及插座用電的智能控制。ZigBee當經緯度控制器控制的常開觸點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，并且由于KA3和KA4常閉觸點的串接，使得無線控制與經緯度時間控制實現了互鎖的功能，保障在無線網絡控制發生故障時，照明回路依然能實現自動控制。

1.3無線網路控制整體設計方案

       目前無線網路傳輸技術有很多種，而ZigBee技術以低功耗、低成本、通信時延短、網絡容量大、傳輸數據可靠、安全性高等多方面優勢，在短距離無線網路傳輸中占據越來越強的優勢。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

 

       從表1中可以看出，ZigBee技術可以組建一個具有65535個可以互相通信的無線數傳模塊網路平臺，ZigBee技術的聯網時間為30ms，而設備的休眠激活時延達到了15ms，ZigBee功耗低，其發射功率為毫瓦級別，兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，ZigBee技術傳輸距離可以在10-75m的范圍內。ZigBee技術工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率。隨著技術的不斷發展，ZigBee模塊的成本優勢也逐漸凸顯，綜上所述，ZigBee技術是比較適合于宿舍內照明無線網絡的智能控制。宿舍樓用電無線智能控制整體系統設計如圖3所示。

圖3系統結構框圖

       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協調器負責整個網路的建立、監管和維護，與上位機實現數據的雙向傳輸，將從采集到的信息數據通過串口與上位機通信，并向下傳達監控命令，從而達到建立及監控整個網路的目的。整個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遞作用，根據需要每層樓都會設置幾臺中間路由器，終端節點可以與協調器之間通信，但是當終端節點與協調之間的距離超出兩者的通訊距離時，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感器對宿舍周圍環境光線進行檢測，當宿舍內沒有人員活動時自動關閉照明系統，但是當晚間到達規定時間時，時間經緯控制會自動切換到手動控制模式，宿舍內照明燈的控制可以實現手動控制。對于宿舍內大功率設備的使用，電流傳感器將大電流信號傳遞給ZigBee的終端設備，上位機及宿舍內都會出現報警信號，對管理人員及宿舍人員起到提醒和控制的目的。

 

       ZigBee無線傳感器系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，系統節點硬件芯片主要采用的是CC2530作為核心芯片進行開發。CC2530是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決方案，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界標準的增強型8051微控制器，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系統，運行模式之間轉換時間短。在掉電模式下，只有睡眠定時運行時，僅有不到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網絡中起到至關重要的作用，因此在整個網絡中也只有一個協調器。它的主要工作就是組建自己的網絡。上電激活協調器后，它會自動進行搜索，當組建網絡之后，協調器的作用便會弱化，起到和路由器相同的作用。本系統的協調器可以設置在宿舍管理員的控制室內，便于將信息從協調器傳輸至上位機，便于管理人員對宿舍用電的交互管理和維護。CC2530有兩個串行通信接口USART0和USART1，可以利用這兩個串口實現協調器與PC機的通信。網路中路由器在網絡中具有組織網絡、自我修復網絡等作用，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，可以根據每層樓宿舍個數設置路由器節點，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感器數據對繼電器進行控制等作用。本系統的終端節點可以分為傳感器和控制兩部分，要實現宿舍內照明的自動開啟和關閉，選用了HC-SR501人體傳感器、光電傳感模塊（如BH1750FV1）實現對光線及人員流動性的檢測，實現相關數據的采集，插座回路部分通過霍爾傳感器實現對回路電流數據的采集；控制部分主要是繼電器控制模塊，CC2530芯片可以通過輸出端口實現相關繼電器的控制。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，它可以將220V交流電轉為5V穩壓直流電，為傳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并濾波電容（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3.3V直流電，并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

       軟件設計是在硬件設計的基礎上進行的，它是實現系統功能的重要環節。系統節點設計可以基于TI公司開發的Z-stack協議棧作為開發模板。TI的Z-stack裝載在一個基于IAR開發環境的工程里，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是采用操作系統的思想來構建，事件發生時，喚醒系統，開始進入終端處理事件，結束后進入低功耗模式，此種軟件構架可以降低系統的功耗。整個Z-stack的主要工作流程，大致可以分為系統啟動、驅動初始化、OSAL初始化和啟動，進入任務循環幾個階段。系統上電后，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的任何一個子系統都作為OSAL的一個任務，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。本系統主要由主程序、時鐘控制程序、傳感器采集程序、ZigBee通信程序、負載過大報警程序、機房管理程序、終端控制程序等幾部分構成。主程序流程圖如圖6所示，設備上電初始化后并完成ZigBee網絡的組建。

圖6主程序流程圖

       根據時鐘程序判斷時間段，在熄燈期間，照明燈處于關閉狀態，白天時宿舍內的照明實現自動控制，同時終端傳感器設備將采集的數據傳輸至控制中心的PC機內，實現宿舍管理員對宿舍內用電情況觀測，并進行遠程監控的功能。當宿舍內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后，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機上對該宿舍內用電情況進行記錄。

 

4.1系統方案

       系統為B/S架構，主要包括前端管理網站和后臺集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關閥。

4.2系統功能

       AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網關-預付費電能表組成，通過通信網絡完成系統到表的充值、查詢、監控、控制及短信報警等功能。

       本系統適用于一些大集團和大物業，往往需要將多個物業環境、分散于各地的物業集中式收費和管理，面臨著數據公網傳輸，財務操作分散，在線支付，總部財務扎口等復雜的需求。

       遠程集中抄表：抄表信息通過網關實時上傳到云平臺，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，并可以進行單表或批量設置水價控閥等操作。

       遠程售電:財務集中管理，電量實時下發，并比對充值次數，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號實現在線自助充值水電費，也可以實時關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。

 

 

       遠程控制:可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。

 

4.3產品選型