摘 要： 針對大場所電器管理自動化應(yīng)用需求,，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee電器智能管理系統(tǒng)，使用戶能夠通過簡單的短信指令,，方便快捷地實(shí)現(xiàn)電器遠(yuǎn)程控制,；并以實(shí)驗(yàn)室為平臺對系統(tǒng)功能進(jìn)行調(diào)試分析，提出了一種基于CC2430和MSP430的雙CPU架構(gòu)拓展模式和中繼通信傳輸模式方案,。對系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)和完善,，使系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： ZigBee,；紅外遙控,；遠(yuǎn)程控制；信號處理,；物聯(lián)網(wǎng)
在提倡節(jié)約型社會,、注重節(jié)能環(huán)保的今天，人們不斷追求家庭生活和公共場所資源管理的合理化和智能化,，希望能用盡可能少的人力物力對辦公樓用水用電進(jìn)行有效管理,，享受智能節(jié)能的辦公生活，于是智能家電管理系統(tǒng)[1]應(yīng)運(yùn)而生,。
對于現(xiàn)有的家用電器節(jié)電管理系統(tǒng),，最常用的方法是雇傭?qū)Ｈ硕〞r(shí)巡查。對于辦公樓和居民區(qū)等大型場所的管理將會耗費(fèi)大量的人力物力,，而且管理人員必須到現(xiàn)場才能準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)用電問題,。為了準(zhǔn)確控制用電設(shè)備,，設(shè)計(jì)了基于電路檢測的電氣控制系統(tǒng),。該方法能夠讓用戶了解耗電情況并可加以控制，但這種技術(shù)工藝復(fù)雜,，而且針對現(xiàn)有建筑,，需要重新布線，加大了改造成本,?？紤]到有線監(jiān)控的局限性，基于紅外技術(shù)或藍(lán)牙技術(shù)[1]的遙控開關(guān)解決了這一問題,。但藍(lán)牙通信距離僅為10 m,，很難滿足大范圍統(tǒng)一控制和管理需求；紅外則只能沿直線近距離傳播,，對環(huán)境的適應(yīng)性不好,，而且擴(kuò)展性較差，限制了系統(tǒng)大范圍的應(yīng)用推廣,；基于WiFi的管理系統(tǒng)成本又太高,，電器管理控制指令數(shù)據(jù)量較小,，造成帶寬的極大浪費(fèi)，因此不適合實(shí)際應(yīng)用需求,。
ZigBee技術(shù)[1-2]是一種具有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù),，其PHY層和MAC層協(xié)議基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制傳感器數(shù)據(jù)傳輸,。同時(shí)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用分層管理機(jī)制,，可組成具有65 536個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)；每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)還可與多達(dá)31個(gè)的傳感器直接連接,，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控或數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)發(fā),，拓展了系統(tǒng)管理范圍。功耗低,、成本低,、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大,、傳輸可靠,、應(yīng)用簡單和安全的特點(diǎn)使得ZigBee無線通信技術(shù)[3]成為電器管理系統(tǒng)的首要選擇。
南忠良等人[1]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于ZigBee通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)主要針對小區(qū)用戶的環(huán)境安防和門禁系統(tǒng)等應(yīng)用,，缺乏對現(xiàn)有電器設(shè)備控制優(yōu)勢的有效利用,，例如空調(diào)控制應(yīng)該與紅外相結(jié)合；陳智杰等[3]將MCF52235高性能微控制器與ZigBee相結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的家庭智能控制器,，主要實(shí)現(xiàn)了家用水表和電表的控制和監(jiān)測,，子節(jié)點(diǎn)間不進(jìn)行組網(wǎng)通信，僅局限于單一用戶的電器智能管理,。本文在考慮家用電器現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,，有效利用ZigBee組網(wǎng)優(yōu)勢，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了大范圍的電器自動化管理與控制,，同時(shí)結(jié)合了GSM網(wǎng)絡(luò),，為用戶的管理和控制提供方便。
本文在分析ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,，針對現(xiàn)有的雇傭?qū)Ｈ硕〞r(shí)巡查,、基于WiFi、紅外及藍(lán)牙技術(shù)等家用電器管理系統(tǒng)的缺點(diǎn)和不足,，提出一種低功耗的可靠的無線解決方案,。該方案通過基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信，及時(shí)反饋電器設(shè)備的狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)等信息,，并根據(jù)預(yù)先定義的規(guī)則進(jìn)行電器設(shè)備管理,，實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)電、安全用電以及智能化管理目標(biāo),。
1 ZigBee
ZigBee[2]是一種短距離,、低功耗,、低速率和低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線通信,。它依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[4-5],，實(shí)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)微小傳感器之間的相互協(xié)調(diào)通信。ZigBee具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能,，支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型,，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性，如圖1所示,。
如表1所示,，與其他無線通信技術(shù)相比，ZigBee的優(yōu)勢在于功耗低,、價(jià)格便宜,，適合應(yīng)用于低速率短距離的傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)中。本文所描述的大范圍電器網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用的正是ZigBee,。
2 基于ZigBee電器智能管理系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)
基于ZigBee的電器智能管理系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：一個(gè)控制中心用于分析處理數(shù)據(jù)和組網(wǎng)控制,；一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，用于采集室內(nèi)溫度,、光強(qiáng)度和CO2濃度等信息以及電器工作狀態(tài)信息,；電器控制模塊，包括紅外開關(guān)節(jié)點(diǎn),、電源控制節(jié)點(diǎn)和總閘控制節(jié)點(diǎn),，用于實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電氣設(shè)備工作狀態(tài)控制。系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖2所示,。
本系統(tǒng)中,，傳感器節(jié)點(diǎn)采集室內(nèi)環(huán)境溫度、光強(qiáng)度和各個(gè)電器設(shè)備工作狀態(tài)等參數(shù),，并將數(shù)據(jù)傳回控制中心,，控制中心進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,，判斷電器設(shè)備用電狀態(tài)是否合理,；當(dāng)出現(xiàn)過度浪費(fèi)現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)會立即給用戶發(fā)送提醒短信,。用戶根據(jù)短信提示發(fā)送相應(yīng)操作控制命令,，控制中心收到并解析用戶命令，并將命令轉(zhuǎn)發(fā)給控制節(jié)點(diǎn),，完成相應(yīng)的控制操作,；完成控制任務(wù)后，控制中心將當(dāng)前電器設(shè)備工作狀態(tài)及時(shí)反饋給用戶,。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)等緊急情況需要及時(shí)斷電時(shí),，用戶可以用手機(jī)遠(yuǎn)距離發(fā)送控制命令實(shí)現(xiàn)斷電,，保證了人身安全，同時(shí)防止意外事故影響擴(kuò)大,。
2.2 控制中心
控制中心負(fù)責(zé)用戶指令解析,、數(shù)據(jù)處理和節(jié)點(diǎn)控制命令發(fā)送，由1臺PC機(jī),、GSM模塊和協(xié)調(diào)器組成,，如圖3所示。PC機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存貯以及命令解析和管理軟件運(yùn)行,；協(xié)調(diào)器由1個(gè)CC2430/31芯片和USB-RJ232串口線組成,，主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立、與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)綁定,、完成對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和電器設(shè)備工作狀態(tài)控制,，經(jīng)USB-RJ232串口送到控制中心的PC機(jī)進(jìn)行處理和顯示；GSM模塊主要負(fù)責(zé)接收用戶短信,，并將用戶反饋信息上傳給PC機(jī),。
本文基于MicroSoft Visual C++ 6.0和GSM AT指令集開發(fā)了系統(tǒng)管理軟件，在PC機(jī)上運(yùn)行,，對協(xié)調(diào)器和GSM模塊傳回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和決策,，并將決策轉(zhuǎn)換為指令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)對電器的智能化控制,。同時(shí)利用中繼接力傳輸模式,，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)[5]中加入中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)接力傳遞，不僅可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，同時(shí)拓寬了中心節(jié)點(diǎn)控制范圍和無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍,，拓展了系統(tǒng)管理范圍。
2.3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)
2.3.1 DS18B20
DS18B20型單線智能溫度傳感器是DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,，具有體積小,、接口方便、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),。
DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位光刻ROM,、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL,、高速暫存器,。DS18B20高速暫存器共有9個(gè)存儲單元，其中第0號和第1號存儲單元分別為溫度數(shù)據(jù)的低字節(jié)和高字節(jié),。DS18B20采用單總線專用技術(shù),，既可通過串行口線，也可通過其他I/O口線與微機(jī)接口,，無須經(jīng)過其他變換電路,，直接輸出被測溫度值,；其測溫范圍為-55 ℃～+125 ℃，測量分辨率為0.062 5 ℃,。
溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)高低字節(jié)存放格式如表2所示,，計(jì)算方式如下：二進(jìn)制中的前5位是符號位，如果實(shí)測溫度為正,，5位符號位全為0,，實(shí)際溫度值=（高字節(jié)×256+低字節(jié)）×0.062 5；如果實(shí)測溫度為負(fù),，5位符號位全為1,，實(shí)際溫度值=(高字節(jié)補(bǔ)碼×256+低字節(jié)補(bǔ)碼)×0.062 5。
2.3.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)[6]主要由溫度采集節(jié)點(diǎn)和光感采集節(jié)點(diǎn)組成,，主要負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù),，并通過網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)傳送回控制中心，為電器管理和環(huán)境指數(shù)監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),。
數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)以ZigBee的精簡功能設(shè)備(RFD)為核心,，以15 min為周期對溫度和光感等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要由CC2430節(jié)點(diǎn),、DS18B20,、LM393及光敏電阻組成。為了實(shí)現(xiàn)光亮度監(jiān)測,，通過調(diào)節(jié)變阻器阻值,，設(shè)定光亮度閾值，通過LM393比較器與閾值比較,，判斷環(huán)境光亮信息,。
2.4 電源控制節(jié)點(diǎn)
2.4.1 TLP521-1光耦合器
TLP521-1光電耦合元件OC（Optical Coupler）是以光作為媒體來傳輸電信號的一組裝置，其功能是平時(shí)維持電信號輸入,、輸出間有良好的隔離作用,，需要時(shí)可以使電信號通過隔離層的傳送方式。通過光電耦合元件將輸入與輸出隔離,，將高壓交流電降壓到低壓交流電輸出,。
2.4.2 DB107S整流
DB107S整流器是一種將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的裝置或元件。DB107S整流器為將AC轉(zhuǎn)換為DC的一組二極管的總稱,。整流一般分為全橋整流和半橋整流,，對應(yīng)輸出為全波整流和半波整流。選擇整流橋要考慮整流電路和工作電壓以及電阻發(fā)熱能量和散熱,。DB107S整流器屬于全橋整流，輸出波形如圖4所示,。
2.4.4 電源控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
電源控制節(jié)點(diǎn)的功能是實(shí)現(xiàn)針對像空調(diào)等大功率用電器工作狀態(tài)檢測和遠(yuǎn)程控制,。電源控制節(jié)點(diǎn)主要由CC2430芯片,、DB107S整流橋、TLP521-1GB和固態(tài)繼電器組成,。
CC2430的引腳只能接收數(shù)字信號[4],，而家用電器用電都是220 V交流電，所以需要將交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流數(shù)字信號,。通常交流電轉(zhuǎn)換為直流電的流程為：變壓→整流→濾波→不穩(wěn)定的直流→穩(wěn)壓→穩(wěn)定的直流電,。采用DB107S整流橋?qū)?20 V交流電變壓為低壓交流電，然后經(jīng)過TLP521-1GB的光耦整流將低壓交流電轉(zhuǎn)換為直流電,，再經(jīng)過RC電路濾波和分壓電路得到CC2430能夠接受的3 V直流電輸入數(shù)字信號,，為CC2430提供電源的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電器工作狀態(tài)檢測,。
CC2430的引腳最大驅(qū)動電流只有20 mA,，為了實(shí)現(xiàn)控制像空調(diào)這樣大電流設(shè)備，在CC2430與開關(guān)之間加入一個(gè)固態(tài)繼電器元件,，通過CC2430引腳控制固態(tài)繼電器工作,，從而控制大功率用電器電源的通斷。
2.5 紅外遙控節(jié)點(diǎn)
針對現(xiàn)在辦公室和家庭紅外遙控用電器愈來愈多的情形,，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于CC2430的無線紅外遙控器,。在不改變原有控制信號的情況下，通過紅外遙控器自我學(xué)習(xí),，方便快捷地實(shí)現(xiàn)對空調(diào),、電視機(jī)的工作狀態(tài)遠(yuǎn)程控制。
如圖6所示,，紅外開關(guān)節(jié)點(diǎn)主要由1838一體化紅外線接收器,、LC7461紅外發(fā)射頭和CC2430芯片組成。為方便用戶使用,，設(shè)計(jì)了按鍵支持用戶更改控制功能,。有按鍵操作時(shí)，1838一體化紅外線接收器對用戶自定義控制進(jìn)行紅外信號采集和存儲,。當(dāng)有鍵被按下或是接收到相應(yīng)的控制命令時(shí),，紅外發(fā)射器將對應(yīng)的指令進(jìn)行編碼調(diào)制，并通過二極管發(fā)射出去,，從而完成空調(diào)等設(shè)備的控制,。
2.6 總閘控制節(jié)點(diǎn)
2.6.1 MX+OF分勵(lì)脫扣器
MX+OF分勵(lì)脫扣器有4個(gè)接線端子，在接線時(shí)應(yīng)將端子C1,、C2接工作電壓,，C1通過外部控制觸點(diǎn)接交流電源的N線（或直流電源的負(fù)極），C2接交流電源的相線（或直流電源的正極）；有源觸點(diǎn)C2-12,、C2和14分別在斷路器“斷開”和“閉合”時(shí)接通,。MX＋OF動作要消耗一定大小的能量，要求輸入12 V直流電,，斷電動作才能進(jìn)行,。
2.6.2 總閘控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
如圖7所示，總閘控制節(jié)點(diǎn)主要包含MX+OF分勵(lì)脫扣器,、交直流轉(zhuǎn)換模塊和CC2430芯片構(gòu)成,。總閘控制節(jié)點(diǎn)先通過交直流轉(zhuǎn)換模塊將220 V電壓轉(zhuǎn)換為12 V直流電,，為MX+OF分勵(lì)脫扣器斷電提供能量,，并經(jīng)過簡單分壓電路后為CC2430處理器供電；同時(shí)接收控制中心發(fā)送的控制命令,?？傞l控制節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)當(dāng)發(fā)生火災(zāi)等事故，需要應(yīng)急斷電以避免事故擴(kuò)大和保證人員安全時(shí),，用戶可以通過發(fā)送一條短信控制命令就可以完成應(yīng)急斷電任務(wù),，避免工作人員接觸造成不必要傷亡。
通過對電器智能管理系統(tǒng)的測試,，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確監(jiān)測環(huán)境參數(shù)變化情況,，并準(zhǔn)確判斷電器工作狀態(tài)，在沒有用戶介入的情況下對電器進(jìn)行自動控制,，并可將緊急狀態(tài)及時(shí)發(fā)給用戶,，根據(jù)用戶返回指令完成相應(yīng)控制或是自動斷開總閘。此外,，針對大范圍的電器智能化管理,，提出了一種基于CC2430和MSP430的雙CPU架構(gòu)拓展模式，即由CC2430負(fù)責(zé)通信處理,，由MSP430負(fù)責(zé)接口管理,，無線通信和接口控制獨(dú)立并行，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,，使系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用前景,。
參考文獻(xiàn)
[1] 南忠良，孫國新.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,，2010,，18(7)：117-119.
[2] IEEE Standard for Part 802.15.4：wireless medium access control(MAC) and physical layer(PHY) specifications for low rate wireless personal area networks(LR-WPANs) [S].2003.
[3] 陳智杰，余楚中,，王鵬飛,，等.ZigBee技術(shù)在家居智能監(jiān)控中的應(yīng)用研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,，2011，27(1)：64-66.
[4] HEINZELMAN W R,，CHANDRAKASAN A,，BALAKRISHNAN H.Energy efficient communication protocols for wireless microsensor networks[C].Proc.of the Hawaii International Conference on Systems Sciences,，2000.
[5] KINNEY P.ZigBee technology：wireless control that simply works[R].2003.
[6] 畢衛(wèi)紅,，陳鑫.基于GSM的智能溫室檢測系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2009,，34(3)：114-116.