基于ZigBee和ARM的智能节电系统研究

杜欣慧，卢小茜，白雪艳

（太原理工大学 电气与动力工程学院，太原030024）

随着智能电网和阶梯、峰谷电价的推广，各种智能电表应运而生，人们节电意识也越来越强，也希望对家用电器进行智能化管理并且能实时了解电价和用电情况。智能节电系统可以帮助人们实现这一愿望。然而传统的智能设备最大的弊端就是增减设备都需要重新布线，重复投资且影响美观；另一方面，系统的可扩展性和移动性也比较差，安装和维护成本高。随着无线技术的发展，典型短距离无线技术有红外、蓝牙、Wi-Fi和ZigBee［1，2］等技术，通过相互比较，低功率低速率的ZigBee技术是目前最适合智能家居内部网络的技术。采用ZigBee无线通信技术和微处理器ARM能很好的解决以上问题，并且能减小能耗，提升可扩展性，增强系统的可控性。

1 ZigBee、ARM的机理分析

1.1 ZigBee机理

ZigBee具有近距离、低功耗、低速率、双向传输等特点，是一种基于IEEE802.15.4［3］无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面无线网络技术，主要适合于承载数据流量小、数据传输速率低的业务，可嵌入各种设备中，能够实现对家庭、工业以及医学等各种重要场所的监控。ZigBee网络主要由协调器、路由器和终端节点组成。ZigBee支持星型、网状和树簇状的网络拓扑结构。在每一个Zig－Bee网络中最多可以拥有65 535个节点，每个节点的地址由ZigBee的网络协调节点（Network Coordinator）负责分配。另外，每个节点的传输范围在30～100m之间，而且传输的距离还可以通过使用功率放大器和多跳网状网络结构得到延伸。

1.2 ARM 机理

上位机选用32位的ARM微控制器［4］，它的工作频率可达几百MHz，集成有许多片内外设，并有多种通信接口，体积小，功耗和成本低，可靠性高，特别适合作为嵌入式微处理器。系统一般采用Flash作为程序存储器，采用SDRAM作为系统内存。可以采用VxWorks、WinCE、Linux等嵌入式操作系统。在基于ARM平台上可嵌入较完整的TCP／IP协议，实现较强的Web服务功能。并且系统中能集成多种接口部件，可以完成较多复杂的功能。为家庭网关后继功能的扩展提供了可能。

2 智能节电系统设计

智能节电系统由控制平台（上位机）、通讯系统中心节点（协调器）、通讯系统子节点和控制终端组成，如图1所示。选用天嵌科技公司的ARM9 TQ2440核心板作为主控制系统，无线通信系统是由华诺的CC2430ZigBee板构成。ARM和协调器负责接收和处理终端节点发送的数据，ARM程序对接受的数据进行处理并显示相关数据，当监控物品状态异常时，上位机发出报警。ARM9和中心节点通过串口连接，ARM9通过串口向中心节点传输命令，中心节点也可以把从子节点采集到的信息反馈给ARM9，从而反馈给用户，实现用户和装置的互动。中心节点和终端节点是通过ZigBee无线通信连接，通过该无线网络向终端节点发送指令，同时也能接受终端节点反馈的信息，从而实现了双向通信。该装置主要是通过CC2430控制SL-C电磁式继电器的闭合来达到控制插座通电与否、通过DS18B20温度传感器检测室内温度，通过控制HCSR501实现安防系统和通过ADE7755电能采集芯片采集电能信息。

图1 系统整体设计框图

2.1 硬件组件

2.1.1 ARM9

ARM9［5］是32位嵌入式RISC微处理器，采用嵌入式 WinCE6.0系统及VS2005平台，以VB语言开发ARM9的控制界面，该界面操作简单，可实现人机交互。

2.1.2 中心节点

CC2430芯片是集成ZigBee技术、8051MCU处理核心的SOC芯片，在集成度和成本以及研发难度上，都具备相当的优势。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA和25mA。对于那些要求非常长的电池寿命的应用，其休眠模式会短时间的转换到主动模式，使之能够成为最理想的解决方案。这个配置可以应用于所有ZigBee的无线网络节点，包括ZigBee协调器（Coordinators），路由器（Routers）和终端设备（End devices）。

2.1.3 终端节点

每个终端节点都是一个小的ZigBee电路板，以4个终端节点（根据需要可以任意增加节点）为例：将SL-C电磁式继电器安装在需要控制的插座里，即可通过CC2430控制该继电器的闭合来达到控制插座通电与否，从而控制了家电的通断，把处于待机的家电切断，从而减少了待机功耗；通过DS18B20温度传感器［6］检测室内温度，判断是否满足温度要求，若不满足即可控制空调的开断来调节温度；通过控制HC-SR501实现安防系统和通过ADE7755电能采集芯片采集电能信息［7］。

3 智能节电系统软件设计

系统软件设计主要包括ARM串口通信及界面开发，ZigBee协议栈的开发和调试，各个终端节点程序和功能的调试。

3.1 ARM 平台的开发

采用嵌入式 WinCE6.0操作系统，它适用于掌上型电脑类的电子设备。控制平台ARM与中心节点ZigBee采用串口通信，选用VS2005平台的VB语言开发ARM9的控制界面，串口通信采用Serial－Port类组建。

3.2 ZigBee协议栈的开发

ZigBee协议栈［2］的程序开发从任务与事件、设备信息配置、建网与入网和数据通信四方面进行开发。

任务与事件主要包括自定义事件、事件触发、定义事件处理函数和添加事件处理函数。

Z-Stack协议栈架构和操作系统流程图如图2所示。

3.3 ZigBee终端传感器节点设计

终端节点开发平台选用的是IAR EW8051-EV-7.51A，协议栈为ZigBee2006。终端设备将检测到的数据传给终端节点，终端节点再将数据传给协调器，最终传给ARM。该系统包括4个终端节点，程序设计流程图如图3所示。

4 智能节电系统的实现

图2 Z-Stack协议栈架构和操作系统流程图

图3 终端节点程序设计流程图

ARM是整个智能节电装置的控制平台，图4是ARM显示屏上的控制界面，该界面操作简单，能够很好地监控到家电的使用情况及用电量的实时反馈。用户通过控制该界面，即可实现对家电的实时监测和控制，能够清晰的了解家电的运行情况。用户可以从ARM显示屏上读取室内温度，并且该系统可以自动调节室温使其维持在一个比较舒适的范围之内；可以很方便的直接通过ARM界面控制家用电器的通断，对于不用的待机电器，可以通过判断后自行关断，方便了用户，减少了待机功耗；可以实时监控用户电压电流，并判断是否符合安全标准，超出安全值会给出警报，并连同电量一块显示在ARM显示屏上，使用户能实时了解用电及安全情况；电量在超出一定范围（根据规定的阶梯电价来设定）时也会发出警报，提醒用户节电，并且实时电价也会显示在该界面上。该智能节电装置响应了阶梯电价和节能减排［8－10］政策。

图4 主控制界面

随着家电的增加，待机功耗不可小窥，据统计电器设备的待机能耗约等于它的开机功率的10%。经过计算把家中的各种家电待能耗加起来约等于开24h一盏40W左右的长明灯。所以待机时，消耗的能源量也是巨大的，但人们却很少注意到这一点。用每天这些电器待机16h来算，一年就要白白浪费掉306.6kWh的电。一百万用户就会浪费掉30 660万kWh的电。而该智能节电系统可以通过ARM实时监测到家电的使用情况，并对于待机的家电实施远程操作关断，减少了待机功耗，节约了能源，给用户带来了很好的节电效益。

5 结论

IEEE 802.15.4-ZigBee协议为无线通讯网络及大量基于微控制的应用提供了互联互通的国际标准，从而使得无线传感网的数据采集、分析处理变得更加容易和便捷。ARM简单便捷的操作为该智能节电装置提供了一个良好的控制平台。通过搭建、调试以及实验最终实现了智能节电系统对开关的控制、温度的采集、红外监测以及电能采集。经过节电分析，这套节电系统一年可为一百万用户节约30660万kWh电，节电效益非常明显。这套智能节电系统［9，10］应用在家居系统中实现了家用电器的智能化控制，大大减少了待机功耗，提高了节电效益，使得家居生活更加便捷、安全、舒适、节能。并且ZigBee无线通信技术和ARM使得整个家居系统布线简单、装修维护简单。

［1］ 刘洋.基于ZigBee技术的矿用无线传感器网络研究［D］.山西：太原理工大学，2010：23-26.

［2］ 李文仲，段朝玉，等.ZigBee无线网络入门与实战［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［3］ 吴呈瑜，孙运强.基于ZigBee技术的短距离无线数据传输系统［J］.仪表技术与传感器，2008，（5）：38-39，51.

［4］ 胡振国.基于ARM的嵌入式软硬件系统设计与实现［D］.成都：电子科技大学，2010：13-17.

［5］ 李登科.基于 ARM 的嵌入式系统硬件设计探究［J］.中国电子商务，2011（3）：1-2.

［6］ 孙利民，李建中，陈渝.无线传感器网络［M］.北京：清华大学出版社，2005.5.

［7］ 刘艳文.无线传感器网络定位系统的设计与实现［D］，西安：西北工业大学，2007：30-35.

［8］ 王哲.智能电网涉及的关键技术［J］.电力系统通信，2009，30（11）：7-10.

［9］ 谢开，刘永奇，朱治中，于尔铿.面向未来的智能电网［J］.中国电力，2008.41（6）：19-22.

［10］ Stamatis Karnouskos，Anastasia Izmaylova.Simulation of Web Service Enabled Smart Meters in an Event-based Infrastructure［C］∥IEEE International Conference on Industrial Informatics（INDIN），2009：125-130.