簡婷

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(huán)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(jié)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(jié)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

0 引言

      通過對高校宿舍用電情況分析發(fā)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(fā)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(jié)能、節(jié)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(jié)能，各高校也在采取各種措施應對。高校除了從行為規(guī)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(tǒng)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(jiān)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(tǒng)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(jié)點的遠程協助控制。

1系統(tǒng)控制的整體方案設計

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(yè)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(tài)。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?？刂齐娐啡鐖D2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(tǒng)的穩(wěn)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(jié)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(jié)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(tài)。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(tǒng)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(fā)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(yōu)勢，在短距離無線網路傳輸中占據越來越強的優(yōu)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(fā)射功率為毫瓦級別，兩節(jié)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(fā)展，ZigBee模塊的成本優(yōu)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(tǒng)設計如圖3所示。

圖3系統(tǒng)結構框圖

      無線網絡主要由ZigBee技術協調器節(jié)點、路由節(jié)點及終端節(jié)點構成。其中ZigBee協調器負責整個網路的建立、監(jiān)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(jiān)控命令，從而達到建立及監(jiān)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(jié)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(jié)點可以與協調器之間通信，但是當終端節(jié)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(fā)。而且終端節(jié)點之間是沒有辦法實現通信功能。終端節(jié)點可以通過傳感器對宿舍周圍環(huán)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(tǒng)，但是當晚間到達規(guī)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。

2 硬件設計

      ZigBee無線傳感器系統(tǒng)的硬件設計主要是協調器節(jié)點、路由節(jié)點及終端節(jié)點三部分，系統(tǒng)節(jié)點硬件芯片主要采用的是CC2530作為核心芯片進行開發(fā)。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(fā)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(fā)機及業(yè)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(tǒng)，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(jié)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(tǒng)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(fā)和子節(jié)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(jié)點，使得整棟宿舍樓都能在無線網絡中。

2.2終端節(jié)點的硬件設計

      終端設備節(jié)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(tài)和睡眠狀態(tài)進行切換。終端設備節(jié)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(tǒng)的終端節(jié)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(jié)點硬件設計框圖如圖4所示。

圖4終端節(jié)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(wěn)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）?？梢圆捎肁MS1117-3.3模塊對核心模塊CC2530進行供電，這是一款優(yōu)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(wěn)定性。AMS1117-3.3電路如圖5（b）所示。

圖5電源模塊電路圖

3系統(tǒng)軟件設計

      軟件設計是在硬件設計的基礎上進行的，它是實現系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)節(jié)點設計可以基于TI公司開發(fā)的Z-stack協議棧作為開發(fā)模板。TI的Z-stack裝載在一個基于IAR開發(fā)環(huán)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(jiān)測片上寄存器、Flash數據等。Z-Stack是采用操作系統(tǒng)的思想來構建，事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，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(tǒng)的功耗。整個Z-stack的主要工作流程，大致可以分為系統(tǒng)啟動、驅動初始化、OSAL初始化和啟動，進入任務循環(huán)幾個階段。系統(tǒng)上電后，通過執(zhí)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(tǒng)都作為OSAL的一個任務，因此在開發(fā)應用層的時候，通過創(chuàng)建OSAL任務來運行應用程序。本系統(tǒng)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(tài)，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(jiān)控的功能。當宿舍內使用大負載的用電設備時，宿舍發(fā)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(xù)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 安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺

4.1系統(tǒng)方案

      系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報警等功能。

      本系統(tǒng)適用于一些大集團和大物業(yè)，往往需要將多個物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)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(qū)域水表的實時狀態(tài)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(fā)，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(zhí)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

5 結束語

      本文介紹了基于ZigBee技術的宿舍樓用電智能控制，在硬件及軟件方面提出了設計設想，采用人體紅外傳感器、光電傳感器、電流傳感器等對宿舍內的數據進行采集，在規(guī)定的時間段內實現照明燈的自動控制，同時對宿舍內大功率設備使用情況進行檢測，通過ZigBee技術對出現超負荷運行情況進行自動斷電與遠程控制。隨著技術的不斷發(fā)展，以及學生對宿舍環(huán)境要求的不斷提高，ZigBee技術還可以用于宿舍內照明光線的自動調節(jié)、空調溫度的自動調節(jié)等各個方面，宿舍樓在達到節(jié)約能源目的的同時，也為學生們創(chuàng)造了更加美好舒適的生活環(huán)境。

【參考文獻】

【1】陳濱掖.基于ZigBee技術的高校宿舍樓用電控制探討

【2】顧金土，謝花.某高校大學生宿舍用電狀況的現狀調查與分析[J].電力需求側管理，2015，17（2）：32-34．

【3】安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06

作者簡介：簡婷，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍安全用電研究發(fā)展。