基于Android和ZigBee技术的智能家居安全用电系统

【摘 要】设计一套基于Android和ZigBee技术的家庭智能安全用电系统，详细阐述系统的总体结构模型与工作原理，就系统的软硬件特点给出了整套系统的详细设计方案；通过开发的实例，验证该系统运行效果良好，操作简单快捷，可靠性高，能有效消除家居用电中的安全隐患，保证家庭用电的安全。

【关键词】Android ZigBee 安全用电 信息采集

【中图分类号】 G 【文献标识码】 A

【文章编号】0450-9889（2015）03C-0188-03

随着科学技术的不断发展，人们生活水平的提高，人们使用的家庭电器越来越多，电器的智能化也逐渐成为社会研究的热点和人们追捧的对象。随着家庭电器的增多，总功率增大，人们对家庭用电安全要求也越来越高。传统的用电插座仅仅具备扩充多路电源的功能，没有报警、限功率、限电流等功能， 安全防护功能差。近来发展的智能家居深受广大用户欢迎。前人对智能家居的研究主要集中在系统功能设计方面，缺少系统用电安全方面的考虑。用电器超负荷工作、用电器工作电压不稳定等都会导致家庭电路出问题，甚至会引起火灾，所以家庭用电安全是智能家居时代必须考虑的问题。

无线技术有ZigBee、蓝牙、WIFI等技术。相比之下，Zigbee与常用无线技术具有以下优势：ZigBee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化，ZigBee是一种新兴的近程、低速率、低功耗的无线网络技术，能够组成更复杂的网状网，具有更高的安全性，具有更高的可靠性。Android系统是目前智能手机使用最多的开源式系统，深受广大手机用户青睐，Android平台很适合用来开发手机终端，实现智能家居的远程控制。

为此，本文设计了一套基于Android和Zigbee技术的家庭智能安全用电系统。使用ZigBee技术组建家庭内部网络，使用Android平台开发远程客户端，通过Internet、3G、4G等网络实现用户远程访问的功能。该系统成本低，操作灵活，具有良好的人机交互界面和远程访问功能，有效消除家居用电中的安全隐患，提高了家庭用电的安全。

一、系统的功能设计

本系统设计旨在构建以ZigBee为核心的家庭智能内部传感网络，以Android智能操作系统为平台的智能终端，通过远程实时监控家庭用电器的用电信息，对异常电路及时采取控制措施，保障家庭用电安全。系统在每个智能插座上安装ZigBee模块、传感器、继电器，每个ZigBee模块负责收集该智能插座的实时数据信息，并通过无线网络传给协调器，协调器对各个 ZigBee模块传来的数据进行分析、汇总、整合后，把数据上传到家庭服务器，用户通过基于Android的远程终端经无线网络登录家庭网关，进行实时监测家庭用电信息并控制插座的断开与闭合。

传统的电源插座功能仅仅是分配多路电源和与插入式元器件（如插头、电子管、继电器等）相配接的连接器。而基于ZigBee技术的安全插座除具备这些基本特征，还具有以下智能化的特点：

远程控制：插座能通过接收远程终端发送的命令，来控制电路的开合，从而达到控制用电器的目的。

监测用电：插座分别利用电流互感器和电压互感器采集流入电器的电流和两端的电压值，并转换为数字化的功率值。用户可以分析用电器的负荷情况、运行功率、待机功耗等，为用电提供参考。

异常保护：当电路中出现异常情况，如：过流、过压、欠压、短路，通路将立即断开，并向远程终端发送报警信号，达到保护电路和用电器的目的。

二、系统的总体结构

由图1中可以看出，家庭智能安全用电系统是由服务器、协调器、终端节点、手机终端、安全插座单元五大部分构成。

服务器是整个系统的心脏，通过它实现系统信息输入、数据分析、信息输出、集中控制等功能。协调器负责建立和维护网络。在协调器与服务器之间使用RS232串口通信实现连接。

协调器是无线网络的核心，负责建立并维护网络，通过串口向服务器发送终端设备上传来的数据信息，同时将服务器传达的命令发送到指定的终端设备。

终端节点是由ZigBee模块和插座组成，ZigBee模块是嵌入到插座中的，用于接收来自协调器的调控指令，根据指令做出相应的调控策略。

手机终端是系统的控制中心，用户通过相应操作可以实现插座开关的远程控制。

安全插座单元是系统的受控元件，手机可以随时随地对插座进行远程控制。

三、以ZigBee为核心的传感网络的设计与实现

（一）ZigBee传感网络

以ZigBee为核心的内部传感网络的设计包括整个内部网络的组建与实现，内部传感网络由ZigBee模块、安全插座、继电器、传感器、协调器等组成。其中ZigBee模块、继电器、传感器都是嵌在安全插座中的。用电器工作时，嵌在插座上的传感器负责监测通过插座的电流、电压、功率等，并将监测到的数据通过Zigbee无线网络技术传给协调器。协调器负责采集各个节点传来的数据，并进行分析、汇总、整合。最后，将数据传到家庭服务器上。ZigBee传感网络具有布线少、安装简易、能耗低、扩展性强、成本低、可靠性强的特点，易于在家庭中广泛使用。

（二）ZigBee模块

此系统中的ZigBee模块中集成了德州仪器TI公司第二代的片上系统（SoC）芯片CC2530。CC2530是用于2.4GHz、IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，集成了业界标准的增强型8051 MCU，系统内可编程闪存8KB RAM 和许多其它强大的功能。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。

在ZigBee网络中存在三种逻辑设备类型：协调器（Coordinator），路由器（Router）和终端设备（End-Device）。协调器负责启动和配置网络，它是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID，随后启动整个网络。路由器允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的终端节点进行通信。终端节点没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以是一个电池供电设备。一个ZigBee网络由一个协调器节点、多个路由器（也可以没有）和多个终端设备节点（也可以没有）组成。协调器是IEEE 802.15.4 定义的全功能设备（Full Function Device，FFD），负责配置启动整个网络。其他网络节点作为终端设备，即精简功能设备（Reduced Function Device，RFD），可以睡眠或者唤醒，接收协调器发出的指令信息并做出相应反馈，或者收集数据发送给协调器。

（三）协调器的结构设计

网络协调器的程序主要包括协调建立网络、检测网络状态、发送维护信号、发送采集命令等。协调器是内部无线网络的核心，负责建立并维护网络，通过串口向服务器发送终端设备上传来的数据信息，同时将服务器传达的命令发送到指定的终端设备，为侦听串口并接收中断，在协调器硬件平台上扩展了RS232 串口。具体结构如图2所示。

（四）ZigBee安全插座的设计

ZigBee安全插座主要有以下功能：采集所在电路的电压，电流数据，并计算出电路实时功率；插座中有继电器模块，能控制电路的通断。

电路中的电压、电流强电信号首先经过锰铜片、分压电阻等转换为弱电信号，再使用专用的计量芯片，如ATT7022B，其内部具有A/D转换、数字运算电路，可以自动完成电压电流有效值、功率等计算，生成的数据由MCU抄取后处理，再将数据通过ZigBee模块发送给服务器，同时微处理器还可以通过继电器控制电器回路的通断。

利用专用的电能计量芯片不仅有效地克服了干扰，也降低了对CPU的要求，同时所需硬件也大大减少，降低了硬件的成本。所以该设计选用专用电量计量芯片ATT7022B对用户用电量进行计量；对于主控部分选用常用的8位单片机就能满足要求。

（五）ZigBee的程序设计

应用程序设计是在 ZigBee 协议栈（ Z-stack）上进行应用层设计。对于开发应用，主要在应用层（APL）加入相应的应用程序。TI 公司的 ZigBee 协议栈自带有操作系统，用户可以根据自己的需要添加任务并依靠操作系统进行调度。由于系统采用的是树形结构，所以ZigBee协调器必须知道每一个传感器节点的网络地址，这就需要每一个传感器节点在加入网络后，都要把网络地址发送给协调器，协调器收到传感器节点的网络地址后，便可建立地址表并存储起来，以便用户要求采集数据时，依据地址表来采集每个传感器的数据。

软件工作流程说明：

开启电源后，协调器启动，其主程序启动。

通过halBoardInit（ ）函数初始化外围设备，系统进入网络建立过程。

当网络建立完成之后，协调器进入循环工作状态：如果侦听到有无线电数据，就进入无线电接收数据过程，接收完数据以后，还要将数据上传到服务器；如果没有侦听到无线电数据，则去侦听串口的控制命令，如果协调器侦听到串口信号，协调器随即开始解析命令，并向下传达。

当这个过程完成时，系统回到侦听是否有无线电数据的判断过程，系统进入再一次循环。

终端节点上电后，扫描所有可用信道来寻找临近协调器，申请加入此网络。终端节点使用电池供电，因此要保证终端节点的低功耗，设计中采用定时唤醒的方式连接协调器，接收和发送数据，其它时间则进入休眠模式，以达到终端节点的功耗最低。

四、Android智能终端设计与实现

（一）Android平台

Android是基于Linux的自由并开放源代码的操作系统，具有开发和免费的优势，是强大灵活的智能终端平台，主要应用在移动设备上，如智能手机，平板电脑。据IDC（Internet Data Center）的最新数据显示，Android已成为最受欢迎的智能手机平台。该平台由4 部分组成，分别为操作系统、中间件、用户界面及应用软件。相比于其他移动设备使用的操作系统，其优势也相当明显。

（二）终端功能设计

终端设计是实现人机交互的关键环节，本软件的功能设计是使用户能方便、快捷、随时通过远程终端访问家庭用电器的使用情况，必要时可以远程控制插座的开闭，以保证家庭用电的安全。本软件具有三大功能：远程控制、实时监控、安全防护。

远程控制：只要手机处于联网状态，用户可以随时随地控制插座的开与闭。如用户在下班回家前，可以通过远程打开饮水机，用户到家就可以喝热开水了。

实时监控：用户可以随时随地查看家庭用电器的当前使用状态，包括通过插座的电压、电流、功率等的实时数据，以了解家庭电器的使用情况。

安全防护：当插座出现过流、过压、欠压、短路等异常状况时，该终端会接收到安全插座发来的警报，提醒用户及时采取措施，消除安全隐患。

（三）终端工作流程

启动智能终端，终端提示需要输入访问的IP地址。

用户登录。如果用户没有注册，可以进行注册，然后再登录。

主控界面。用户登录成功后，会自动跳到主控界面中。在主控界面中，用户可以查看各插座的使用情况，包括电流、电压、功率等。按钮处于灰色状态，说明该插座是断开的，连在该插座上的用电器处于闲置状态；按钮处于绿色状态，说明该插座是闭合的，连在该插座上的用电器处于正常工作状态，该电路是安全的；按钮处于红色状态，说明该插座出现过流、过压、欠压、短路等状况，电路处于不安全、不稳定状态，需要及时断开该插座。

用户中心。处在主界面的下方，超级用户可以进行增加用户、修改用户、删除用户等操作。普通用户可以执行修改密码操作。

信息提示。处在主界面的下方，信息提示主要是接收来自协调器发送过来的报警信息。信息内容包括出现报警的插座名、报警的时间、报警原因等。

五、测试方法

在对整个系统的测试过程中，按照循序渐进的方法对每个功能节点模块进行测试，对于每个步骤出现的问题都进行仔细排查，待问题解决后，再进行整体的测试，参看系统整体能否成功运行，效果是否和预期效果一样，系统是否能完成以下功能： ZigBee无线网络是否能够成功运行，是否能够完成相互的通信；ZigBee无线传感网络中的各个节点是否都能正常工作；协调器是否能够正常完成数据的收集汇总发送工作，是否能截取信息并且显示整个系统的状态；Android智能控制端是否能够实现数据的显示，是否能够控制相关的操作。如果数据监测情况正常，相应的功能模块工作稳定可靠，本系统总体运行良好，那么该系统基本达到预期目标。

本文基于Android平台和ZigBee技术开发了家庭智能安全用电系统。将ZigBee无线网络技术与Android平台融为一体，有效对插座进行远程控制，实现家庭内部网与外网和移动手机的无缝连接，消除了家庭电器在使用时存在的种种安全隐患，保证了家庭用电的安全。

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【基金项目】2013年度广西高等教育教学改革工程立项项目（2013JGA348）

【作者简介】温剑锋（1979- ），男， 广西建设职业技术学院讲师，硕士，研究方向：智能计算，移动互联。

（责编 丁 梦）