基于ZigBee 技术的学生宿舍用电管理系统设计

刘孝赵， 陈志峰

(苏州经贸职业技术学院 机电与信息技术学院，江苏 苏州215009)

0 引 言

随着现代信息技术水平的提高，大学生各种电子产品也越来越多，宿舍用电设备也随之增多，涉及用电安全和节约能源也成为必要考虑的因素［1-2］。因此，高校管理部门应该对宿舍各种电气设备用电电流及用电时间进行管理和控制。本文将采用ZigBee 技术的无线传输对宿舍用电进行采集并管控，建立能耗管控智能化服务系统，对学生宿舍内用电监控进行更深入的研究，切实提高节电的效果［3］。每个用电单元都被安装有一个电能计量仪表，通过ZigBee 无线技术，将数据传送到集中器，然后通过网络保存到数据库中，将校区宿舍的所有关键点都进行计量采集汇总统计后，即可以迅速掌握用电的情况，以及漏电情况等，这样通过对宿舍的合理用电来节约资源，通过堵漏来避免浪费，实现节电，同时，如果宿舍使用大功率用电器，后台将进行实时断电，并让宿舍管理员及时查找违章使用电器，可以避免安全事故。

1 Zigbee 技术

ZigBee 技术是一种新兴的短距离、低功耗、低速率的无线通信技术［4］。它是基于IEEE802.15.4 无线标准而研发的技术，主要用于近距离无线通信系统［5］。非常适合用于家庭监测、工业控制、传感器网络等方面［6］。ZigBee 网络传输速率一般是10 ～240 KB/s［7］。它采用了防碰撞机制，用户不需要担心数据碰撞融合的情况出现。传输过程中数据采用了加密算法，这样大大提高了数据的安全性和可靠性［8］。它的协议是开放式的，无需专利费，这样我们利用ZigBee 技术组网的成本将大大降低［9］。它具有很好的自动组网能力，ZigBee 网络可以通过协调器进行多种形式的组网［10］。ZigBee 通信十分灵敏，延时时间一般被控制在15 ～30 ms 之间。且ZigBee 网络容量比较大，范围广，工作频率改变十分便捷。

ZigBee 协议可以分为四个层次结构，分别为物理层、数据链路层、网络层和应用层。其中最底层是物理层，在物理层之上时数据链路层，且这两层都是由IEEE802.15.4 定义的，与其硬件相关度最大［11］。距离数据链路层最近的就是网络层，网络层之上就是应用层，且这两层是由ZigBee 联盟定义的［12］。物理层最接近硬件，直接控制无线收发器，数据链路层提供数据服务与管理服务，网络层提供了一些确保数据链路层正常工作的函数库，并且为应用层提供服务接口，应用层最接近用户，为网络层提供了服务接口，并且给用户定义应用对象。一个基于ZigBee 技术标准的传感网络最多可以拥有65 000 多个节点，因此这项技术适合学生宿舍大规模传感节点的部署。

2 系统设计

2.1 系统结构

宿舍无线管理采集系统主要由电能计量模块(数据采集端)、集中器、机房管理中心、移动接收终端，以及连接数据通信方式组成，形成一个物联网组合结构。其系统结构图见图1。每栋宿舍设计一个ZigBee 中心节点，节点与中心节点组成一个本地控制网络，并通过GPRS 技术完成网络之间的数据转换，并将数据信息传输给机房管理中心和移动终端设备上。机房管理中心和移动终端设备可以调用集中器传输来的数据，并向集中器发送控制指令，实现抄表和管理控制功能。

2.2 系统功能设计

(1)实现预付制度。宿舍用电要提前到管理部门进行充值，管理系统每天定时对网络中的电能计量表自动抄表，当电量不足预设阈值时，在电能表中安装的报警器进行提醒，当电量用完时，远程控制端会自动切断供电。

图1 系统结构图

(2)实现恶意用电管理。当宿舍违规使用电饭煲、电热炉和热得快等大功率恶性负载时，防恶意用电装置将进行报警提醒，20 s 未取消将自动进行断电，同时把违章用电宿舍号通过网络发送给数据控制中心和移动终端。

(3)实现限电管理。管理中心可以通过控制平台软件为不同宿舍分配限电标准、限电时间以及是否允许恶性负载的使用功能。

2.3 电能计量电路设计

电能计量主芯片选用单相多功能防盗专用计量芯片RN8209。它的内部有数模转换器、乘法器、功率转换器、可编程增益放大器和计量有功功率等主要数字电路构成。其主要工作原理:RN8209 把从通道1(相线电流通道)、通道2(零线电流通道)和通道3(电压通道)中进来的模拟信号，这三路模拟信号经过AD 转换器，转换后的数字信号经过处理后送入乘法器，直接相乘后得到瞬时功率信号，再经过电压频率转换器后，最后以频率脉冲的形式输出，再经过主控MCU 处理后进行显示和控制。

本设计对RN8209 的外围及扩展电路设计如图2所示，其中包括电源电路、外部晶振电路和滤波电路组成。电路中不同阻值的电阻实现了系统的采集信号分流和分压作用，外部晶振根据要求选用3.579 545 MHz，采集的电压和电流通过分压和分流后输入到计量芯片的输入端口。图中分流器设计分为相电流和零线电流两个采集通道。相电流传感器选用互感器，其变化比为2000∶ 1。在实践使用中，设置最大电流50 A 时，输入信号在0.35 Vrms(电压有效值)左右，因此互感器的电阻值为0.35/60 ×2000 =14 Ω，从电阻实际阻值考虑选取15 Ω。零线电流通道采用锰铜分流器，分流值选取不易过大和过小。如果选取值过大，则外部短路对分流器的影响非常小，灵敏度降低。如果选取值过小，则在小负载时，又不能符合国标精度要求。因此在实际电路实验中，选择300 μΩ 较为合适，且该通道增益设为16 倍。在50 A 时，两端电压信号为300 ×16 ×50 =240 000 μV，即240 mVrms。

图2 外围电路及信号输入输出接口

电压采集电路用电阻分压方式输入，电流、电压通道输入幅度峰值设为700 mV 为允许输入的最大信号，且考虑到余量，本设计0.2 Vrms，则取样电阻为1 000 ×0.2/220 ×1 000 =910 Ω，因此选取1 kΩ。

2.4 ZigBee 外围电路设计

数据采集端和集中器都采用基于CC2430 的ZigBee 模块，以此来组成无线发射和MEG16 单片机的无线收发设备。其中CC2430 是TI 公司生产的无线收发芯片，它结构简单功能强大，具有2.4 GHz DSSS 射频收发器核心。且内嵌51 内核，容易编程，可以充当无线网络的终端、路由和协调器［13］。另外，CC2430 有两个可编程串行USART［14］，用于主从SPI/UART，可以与单片机串行通信，本文即是通过串口连接CPU 与CC2430 芯片，其外围设计图如图3 所示。

CC2430 外围需要很少的电路就可以实现收发功能，连接一个非平衡天线，另外还有一个非平衡变压器，可以使得非平衡的天线性能更加优越。通过芯片组建的ZigBee 网络来实现数据抄读，其中数据采集端和集中器可以组建点对点、星状或网络状拓扑结构，在实验中，整个结构满足匹配要求，效果良好。

3 系统软件设计

本文主要对主程序、电能计量采集程序、ZigBee 通信程序、恶性负载检测程序、报警程序、GPRS 程序、机房管理中心界面程序、移动智能终端程序等组成，采用单片机C 语言编程，用AVR Studio 进行调试，基于篇幅有限，这里主要介绍主程序流程和通信程序设计，其它不在赘述。

图3 CC2430 外围电路

3.1 主程序流程

主程序流程如图4 所示，设计了宿舍不允许超限使用和恶性负载，电能表计量模块检测用户是否有恶性负载和超限用电信号时，如果有，则主控MEG16 芯片会发出报警［15］，20 s 后再次进行检测，如违规使用则断电，如无，则正常执行电能计量与通信信号传输功能。

图4 主程序流程图

3.2 通信软件设计

本系统主要结合了ZigBee 和GPRS 技术，进行长距离控制命令、集中器定时采集、自组网、数据中心统计分析等功能。软件在设计过程中主要通过对ZigBee网络通信协议栈操作完成数据采集和接收，包括初始化、报警提示、数据发送和接收程序设计［16］。ZigBee模块作为无线网络设备中的协调器自动完成组网，主要包括网络初始化和节点加入网络。其中节点加入网络主要包括通过与协调器连接入网和通过已知父节点如果，各自安装在电能计量模块设备上的ZigBee 模块作为终端节点通过绑定式加入网络，并进行初始化、数据传输、处理信息。

4 结 语

本系统是将电能表计量数据通过ZigBee 无线网络将数据通过集中器后经GPRS 网络传送到机房管理中心和移动智能终端，构成宿舍用电三层分布式电量无线采集系统。基于ZigBee 技术无线的学生宿舍用电监控监控系统可以大大降低成本，提高电能计量采集的效率，在实验过程中，能够满足学校要求，有效解决学生宿舍用电管理的难题，同时还可以培养学生节能环保的意识。ZigBee 技术作为新兴无线通信技术，在工业监控、楼宇智能化、家居系统控制将具有广阔的应用前景。

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