基于物联网的家庭电源监控系统的设计

杨林靖，张恩迪，周云科

(湖南大学微纳光电器件及应用教育部重点实验室，湖南长沙410082)

基于物联网的家庭电源监控系统的设计

杨林靖，张恩迪，周云科

(湖南大学微纳光电器件及应用教育部重点实验室，湖南长沙410082)

针对家庭用电设备可能引发火灾隐患的情况，设计了一种基于物联网的家庭电源监控系统。系统采用嵌入式技术，将监测的数据由网络发到服务器，设计了基于C/S和B/S两种通信方式，可满足一般家庭对于用电安全方面的需求。测试结果表明该系统运行稳定、可靠、交互界面友好。

物联网；嵌入式；C/S；B/S；电源监控

目前，网络技术的发展和智能技术使得家居生活正在朝着数字化、网络化、智能化发展。同时，越来越多的电器进入到普通家庭中。然而用电设备的逐渐增多导致电源系统存在引发火灾等安全隐患，使得家庭的电源监控需满足实时性、准确性、快速响应性等特点[1-3]。另一方面，远程监控技术已逐渐被应用到各个领域，其利用网络将分布不同的电子设备互联，实现对设备数据的采集与信息的远程交互，以达到远程监视与控制的目的。本文根据这两方面，设计了一种基于物联网的家庭电源监控系统，该系统通过Zigbee进行组网构建家庭网络，通过对采集的各种数据进行分析处理，实现对监测区域的控制。

1 系统总体架构

家庭电源监控系统主要由下位机、上位机和客户端三大部分组成。下位机主要包括Zigbee模块、数据处理模块、键盘模块以及各类传感器等，其实现对数据的采集与对远程控制的响应等；上位机主要是指ARM服务器，其实现对各个节点数据的收集、处理以及控制，同时根据客户端的命令进行响应。

为得到家庭内部电源设备的有效信息，需在相应地点安放传感器节点。传感器包括电压变送器、电流变送器、温湿度传感器以及感烟探测器和门磁开关等。将传感器按顺序编号，分时扫描发送。多个传感器节点获得数据，经Zigbee自组网方式将数据传送至ARM服务器，服务器对各类数据进行收集、处理和储存，供用户端查看数据并进行控制。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图

2 系统硬件设计

2.1 传感器选择与硬件设计

电压变送器和电流变送器采用三组合交流电压和电流变送器。变送器是直接从负载取得信号，其输入线不能短路，为此要在输入端安装保险；温湿度传感器采用的是AM2303数字温湿度传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，有可靠性与长期稳定性等特点；感烟探测器是利用放射性元素产生射线，使空气电离从而产生微电流来检测空气中是否有烟，其采用型号JTY-Z-983K；门磁开关就是一个干簧管，由两个靠得很近的金属弹簧片构成。其中，电压变送器和电流变送器及其配置曲线图如图2所示。系统选用CC2530芯片，通过星型结构组建Zigbee网络，降低设备成本，方便管理。

2.2 上位机硬件设计

系统上位机采用基于ARM11架构的16/32位微处理器——S3C6410微处理器，该处理器是由三星公司生产的。S3C6410微处理器设计主频从350 MHz到1 GHz，采用45或65 nm工艺技术制造，可针对应用场合的不同提供各种高性能、低功耗的方案。另外，它采用了诸多先进技术，在网络、媒体处理和实时应用等方面显现出更佳的用户体验，常用于较高端的电子产品中，如智能手机、移动多媒体设备等[4]。系统硬件平台搭建如图3所示。

图2 配置曲线图

图3 上位机硬件框图

3 系统软件设计

3.1 下位机算法设计

系统中数据信号通过Zigbee无线传输，因传感器数量比较多，需避免各类数据发生冲突。CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，免冲突载波检测多路接入)算法是Zigbee关键技术之一，它分为时隙型与非时隙型，系统采用时隙型CSMA/CA算法。算法中各节点通过竞争获得信道访问权，当需发送数据而信道被占用时，就侦听直到信道空闲。为使监控效率达到最高，系统将BE的初始值设置为一个随机值。在每个时隙分组中，BE值按照一定规律变化，使各个节点访问信道时能随机选取各自的避退时间，降低重合概率。完整的超帧周期的竞争期有16个时隙，分别是0～15，将其分为8组，因此，BE的值不得超过8。设置避退次数为，当超过时放弃发送。

3.2 上位机软件设计

ARM服务器采用visual studio软件设计，它是整个系统的核心。一方面对采集到的信息进行汇总处理并存储于数据库中。系统数据库选用与visual studio嵌套的Microsoft SQL Server数据库，该平台含有丰富的程序接口，支持Web以及客户端/服务器体系结构。将每天监测到的数据信息存储于数据表中，该数据表以当天的日期命名。存储的数据主要是设备工作信息、实时监控信息和历史监控信息等。另一方面处理客户端控制命令，对下位机进行控制。客户端发送的控制命令包括对电源设备进行开关和数据查询命令。

其次还需对服务器与客户端的通信进行设计，套接字经常应用于网络通信方面。MFC(Microsoft Foundation Class)对SOCKET编程的支持很充分，它提供CAsyncSocket和CSocket两种方式。前者是异步非阻塞通信，后者是同步阻塞通信。因系统监控的数据较多，选择CAsyncSocket通信方式。进行通信时，首先要进行初始化，包括变量的定义、创建服务器、客户端以及监听套接字和绑定通信地址；其次通过线程函数创建数据接收线程；最后进行数据的发送。

3.3 客户端访问软件设计

系统采用C/S(Client/Server，客户端/服务器)方式和B/S (Browser/Server，浏览器/服务器)方式进行访问。前者可充分利用两端硬件环境的优势，合理分配任务到两端，降低通讯成本。但是操作系统不同，需开发的客户端软件不同，且局限于局域网。系统中，客户端是联入局域网的用户工作电脑。它不能够随时随地查看监控信息。而后者弥补了这个不足，它可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件。当需要调用监控信息时，只要使用一个安装浏览器的上网终端即可。系统采用这两种方式相结合，达到了对电源的有效监控。

在界面设计方面，选择visual studio中的C++项目软件对界面进行设计。它是面向用户图形界面的比较流行的Windows程序设计语言。系统界面主要分为：登陆界面、系统主界面、数据曲线显示界面、历史数据界面部分。

图4 系统测试结果图

表1 客户端测试结果

4 系统测试结果

系统设置每一秒采集一次数据，并在界面更新显示。通过上网设备登录web页面，输入服务器对应的IP地址，即可进入监控主界面，如图4所示。同时，在工作电脑打开客户端应用程序，可打印监测数据表，如表1所示，其中node表示节点号，表示电压(V)，表示电流(A)，表示温度(℃)，表示湿度(%)，表示烟雾(%)。

5 总结

本文设计了一种基于物联网的家庭电源监控系统，从软硬件两方面介绍系统的设计过程。采用C/S和B/S两种访问方式，有效地对电源设备进行实时监控，同时系统具有灵活性、可扩展性，最大限度地实现系统要求。

[1]颜慧．家用小型电源监控系统的设计及实现[J].大众科技，2010 (3):13.

[2]郭凯东，张东来，苏光明.嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ在通信电源监控中应用[J].电力自动化设备，2005,25(4):69.

[3]廖磊.通信电源集中监控系统的设计与实现[D].成都：西南交通大学，2000:11.

[4]王昊.移动终端的wifi无线通信设计与实现[D].南京：东南大学，2010:13.

Supply of household power monitoring based on Internet of things

Aiming at situation current that Household electric equipment could cause a hidden hazard of fire,a supply of power monitoring system based on Internet of things was designed.Embedded Technology was taken by the system,then the datas were sending underground to the server.Access method based on both C/S and B/S was designed.The needs of using electricity safely in the family could be satisfied.The experimental results show that this system is stable,reliable and human-computer interface friendly.

Internet of things;embedded;C/S；B/S;supply of power monitoring system

TM 925

A

1002-087 X(2015)10-2272-03

2015-03-22

杨林靖(1988—)，女，山东省人，硕士生，主要研究方向为智能电子及应用；导师：张恩迪(1964—)，男，湖南省人，研究生导师，主要研究方向为智能电子与系统、物联网。