基于ZigBee的学生宿舍智能限电控制系统

滕志军，张明儒，许建军，郭素阳

（东北电力大学 信息工程学院，吉林 132012）

随着小家电的快速普及，在大学宿舍经常看到吹风机、热得快、电饭煲等大功率电器设备，轻则引起电路短路跳闸，重则会引起火灾，目前学生宿舍消防安全面临严峻形势[1]。实时安全防护是保障学生安全的基本保障，为此越来越多的学校在宿舍安装了限电控制器，但是采用独立、不能联网的限电控制器，若宿舍断电后，宿舍管理员需到电房手动恢复用电，给宿舍管理员的工作带来诸多不便[2-3]。传统的通信方式多采用有线传输，然而有线通信方式成本高、受环境温湿度等因素影响使用寿命短，需要经常对通信线路进行维护[4-5]。

针对学生宿舍出现大功率违章电器和学校限电管理不足问题，本文提出基于ZigBee的学生宿舍智能限电控制系统。智能终端以嵌入式Linux为操作系统，选用低功耗的ZigBee终端节点实时采集电气参数，采用3G无线通信模块，在运行中系统分布的ZigBee节点采集的数据实时传输到远程监测中心，实现实时电气参数的在线检测，实时功率超过预设值或使用恶性负载时，系统切断电源，去除超额负载后，系统自动恢复宿舍供电。

1 ZigBee技术简介

ZigBee标准定义短距离、低数据传输速率无线通信所需要的一系列通信协议，所使用的无线网络工作频段为868 MHz、915 MHz和2.4 GHz，最大数据传输速率为250 kb/s。ZigBee具有高可靠性、低成本、低功耗、高安全性、低数据速率等特点[6-10]。Zig-Bee网络中的设备主要由协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端节点（End Device）组成，拓扑结构主要有星型、网型和树型[11-12]。ZigBee协议采用分层的思想分为物理层（PHY）、介质访问层（MAC）、网络层（NWK）、应用程序支持子层（APS）和应用层（APL）。ZigBee主要应用在短距离无线控制系统，传输少量的控制信息，例如在工业控制、智能家居和商业楼宇自动化、农业、医学等领域。

2 系统总体设计

智能限电控制系统由检测终端、智能终端和远程监测中心3部分组成。检测终端包括ZigBee终端节点、微处理器STC89C52单片机、控制部分、电源模块和功率测量模块。智能终端包括ARM微处理器、ZigBee协调器、电源模块和3G无线通信模块。远程监测中心包括主机和存放数据的数据库等。

检测终端主要实现功率参数实时在线检测，包括电流和电压参数，并且通过编写程序实现宿舍实时功率（P=UI）的检测，将检测的功率参数通过Zig-Bee终端节点传输到ZigBee路由器，最终传输到ZigBee协调器。如果超过预设的功率或使用恶性负载，系统通过调用控制模块的继电器切断宿舍电源，去除超额负载后，系统自动恢复宿舍供电。

智能终端主要实现将接收到的实时功率参数通过3G模块传输到远程监测中心。ZigBee协调器接收到的功率参数数据传输到ARM处理器，3G无线通信模块通过TCP/IP建立网络连接，远程监测中心主机显示屏实时地显示各个宿舍的实时功率参数（电压、电流和功率），并且将检测的数据保存在数据库中，系统框架图如图1所示。

图1 系统框架图Fig.1 System framework map

3 检测终端设计

检测终端主要包括电源模块、微处理器模块、功率测量模块、控制模块和ZigBee模块。功率测量模块通过P1口、控制模块通过P2口、ZigBee模块通过P3.0和P3.1分别与单片机芯片进行通信，检测终端框架图如图2所示。

3.1 微处理器模块

微处理器模块选用STC公司生产的STC89C52，该芯片是一种低功耗、高性能CMOS 8位微处理器，具有8 KB可编程Flash存储器。STC89C52有4个GPIO口，分别是 P0、P1、P2和 P3口，其中 P0口输出电压较小，需要加上拉电阻，一般用于连接数码管和LCD液晶显示屏。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能，其应用领域非常广泛。

3.2 功率测量模块

功率测量模块由电流传感器和电压传感器以及外围电路组成。功率测量模块通过串行外设接口SPI与单片机STC89C52相连接。电流传感器选用GY-712，工作温度范围为-40℃～85℃，测出电流范围为-30 A～30 A，50 kHz的带宽，具有高灵敏度、低漂移、高线性度和较强的抗干扰能力等特点。电压传感器选用LV25-P，能够测量交直流电压，额定电压范围为10 V～500 V，具有较强抗干扰能力、低温度漂移、高带宽和高精度等特点。

3.3 控制模块

当宿舍实时功率超过预设的功率时，单片机芯片通过P2口向控制模块发送控制信号，控制信号经过放大电路放大驱动信号，瞬间将继电器从ON到OFF切断电源。另外，在继电器两侧加1个二极管，不但可以产生反向电压驱动继电器，而且还可以防止烧坏放大电路的晶体管。

3.4 ZigBee模块

ZigBee模块选用德州仪器（TI）公司推出的完全支持ZigBee 2007协议的单片机CC2530芯片，相应的协议栈Z-Stack。CC2530-EB开发板主要由电源接口、ADC接口、RS232接口、仿真接口 （10针JTAG接口）、天线接口（2.4 GHz天线）和扩展接口组成。ZigBee模块采用电源电压为3.3 V，ZigBee终端节点采用树型网络结构。

3.5 电源模块

电源模块主要是通过电压变换电路将5 V电压转变成3.3 V、1.8 V和1.2 V电压，该系统使用LM1117芯片将电压转换成3.3 V和1.8 V，使用MAX8860EUA18芯片将5V电压转换成1.2V电压。

3.6 检测终端软件设计流程

ZigBee终端节点是基于ZigBee协议栈ZStack，IAR Embedded Workbench开发环境用于软件的编写。ZigBee终端节点搜索协调器节点所建立的网络，如果搜索网络成功之后，连接网络，进入休眠状态，通过中断唤醒，将实时采集的功率参数发送到协调器节点。

实时的功率与前1 s的功率之差如果大于600 W，可以近似地判断宿舍使用恶性电阻性负载（热得快、吹风机和电饭煲等）。恶性电阻性负载大部分最小功率都大于600 W，考虑学生均使用笔记本电脑，6台笔记本电脑同时开机，线路一般不会超过600 W。这只是近似判断，应该判断功率因数（有功功率与视在功率的比）才可以准确地判断是不是增加恶性负载，电阻性负载功率因数为1，在这里间接地认为如果使用恶性负载，会造成线路的总功率瞬间猛增。

STC89C52芯片使用的开发环境为Keil C51，使用STC芯片自带的STC-ISP烧录工具将程序代码下载到单片机芯片里面。微处理器每隔1 s通过中断获取电气参数，并且通过程序计算出实时功率，对收到的实时数据加以判断，当前的功率如果比前一次的功率大600 W，则近似判断使用恶性负载，将启动控制模块的继电器，直接切断电源，去除超额负载后，通过控制模块恢复宿舍供电。反之，总功率不超过800 W，则认为无恶性负载，检测终端流程图如图3所示。

图3 检测终端流程图Fig.3 Flow chart of detect terminal

4 智能终端设计

智能终端主要包括ZigBee协调器、ARM微处理器、3G模块和电源模块。ZigBee协调器模块和3G模块分别通过串口UART1和UART2进行通信，其中ZigBee协调器与ZigBee终端节点采用的都是CC2530芯片，电源模块与检测终端电源模块相同，都是将5 V电压转换成模块工作电压3.3 V。

4.1 ARM微处理器模块

ARM微处理器模块选用三星公司生产的S3C2410A芯片，使用了ARM公司的ARM920T内核，采用了称为先进微处理器总线结构AMBA（advanced microController Bus Architecture）。内部包含2个协处理器、单独16 KB指令cache和MMU、单独16 KB数据cache和MMU等；产生对SDRAM/Nor Flash/SRAM存储器芯片的控制器和片选逻辑；Nand Flash控制器；带有4通道DMA；3通道通用异步收发器 （UART），支持红外传输；2通道SPI；2通道USB主控制器；8通道10位ADC与触摸屏接口；带锁相环（PLL）的片内时钟发生器；117位GPIO端口，其中24通道可用作24路外部中断源；中断控制器。本模块使用的工作电压为3.3 V。

4.2 3G无线通信模块

3G无线通信模块采用的是华为公司生产的MU509（UMTS/HSDPA 2100 MHz GSM/GPRS/EDGE 850/900/1800/1900 MHz）通讯模块，是双频WCDMA工业级无线模块，支持3.6 Mb/s下行速率；提供高质量的语音、短信功能，FOTA功能，内置TCP/IP协议栈，以及华为扩展AT命令集。MU509有8个wire UART。采用标准RS232串行接口，支持语音数据以及短消息（SMS）的接收、发送以及对短信的管理，支持TCP/IP、PPP protocol通信协议。通过调用AT指令来控制3G模块，嵌入式ARM微处理器可以借助3G无线通信模块强大的数据传输功能实时地进行信息处理。MU509的数据输入、输出接口实际上是一个串口，它可以与S3C2410A中的串口直接连接，工作电压3.3 V。

4.3 智能终端软件设计流程

基于嵌入式Linux操作系统Red Hat6.3，选用ARM S3C2410A处理器，来实现各个模块之间的通信。实时的电气参数电压和电流等数据都是采用中断的方式获取和经过多线程处理。3G模块与远程监测中心通信协议是TCP/IP，智能终端流程图如图4所示。

图4 智能终端流程图Fig.4 Smart terminal flow chart

ZigBee协调器节点主要是组建网络，接收终端节点发送的实时数据，并且将接收到的数据发送到3G无线通信模块。

5 测试结果及分析

为了验证该系统的可行性，系统硬软件调试之后，在校园宿舍进行测试，ZigBee节点采用树型网络结构，每个宿舍放置一个检测终端 （内含1个ZigBee终端采集节点），系统中设置最大安全功率为800 W和无负载时实时功率与前1 s功率之差不超过600 W，在宿舍楼的101、201、301和401宿舍进行数据的实时采集，其中101、201宿舍电器设备总功率不超过800 W，301使用恶性负载吹风机但不超过800 W，401总功率超过800 W。使用面向对象C++Qt Creator远程显示结果，实时电气参数界面刷新频率为1 Hz。

图5为学生宿舍远程监测结果。从图中可以看出，101、201宿舍使用的电器总功率分别为548.3 W和219.4 W，均不超过预设的安全功率800 W，因此符合设定的最大安全值，电器设备运行正常，虽然301宿舍不超过800 W，但使用恶性电阻性负载，不能正常运行。401宿舍未使用恶性负载，但总功率超过800 W，仍然不能正常运行。

图5 学生宿舍远程测试结果Fig.5 Dormitories remote test result

图6为宿舍每天用电量统计曲线。从曲线中可以看出1月10号（周六）和1月11号（周日）宿舍用电量剧增。经过多次测试该系统，丢包率、误包率和误判率都在0.3%以内。另外，本系统选用3G无线通信模块，受到网络信号不稳等因素，实时的电气参数在远程监测中心界面上有一定的延迟。

图6 宿舍每天用电量Fig.6 Dormitory daily consumption

6 结语

本文研究了宿舍功率参数（电压、电流）的采集、处理，3G网络无线传输，多线程处理等关键技术。提出智能终端以ARM9 S3C2410微处理器为核心处理器，嵌入式Linux为操作系统，结合ZigBee模块、3G模块、功率测量模块、控制模块和电源模块，在远程监测中心实现了对宿舍功率参数检测和因使用恶性负载超过最大安全功率自动跳闸、自动恢复的功能，延时误差较小。该系统具有安装简单、功耗小、功能强大和极具实用性等特点，具有广泛的应用前景。考虑本系统出现的不足，下一阶段的工作主要是改善负载识别方法、降低系统检测延时和降低ZigBee节点的功耗。

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