基于ZigBee的智能插座系统设计

张　赛,　郭家虎,　刘为国,　王芳芳

(安徽理工大学 电气与信息工程学院, 安徽 淮南　232001)

基于ZigBee的智能插座系统设计

张赛,郭家虎,刘为国,王芳芳

(安徽理工大学 电气与信息工程学院, 安徽 淮南232001)

摘要：设计了一种基于ZigBee技术的智能插座系统,可以通过手持终端和ZigBee网络远程控制智能插座的通断,从而实现家电设备的开启和关闭,避免因待机产生不必要的电量消耗。系统测试结果表明,基于ZigBee技术的智能插座系统可以实时监测家庭用电设备,显示用电数据,帮助用户合理调整用电设备和用电时间,有效降低能耗。

关键词：ZigBee技术; 智能插座; 硬件电路设计; 软件设计; 实时监测中图分类号： TU 855

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2016)05-0022-05

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.006

0引言

智能家居以住宅为平台,利用综合布线、网络通信、自动控制等技术将家居生活有关的设施集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统,提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,并实现环保节能的居住环境[1]。目前,智能家居控制系统大多采用有线方式布局,存在布线繁琐、控制效率低、维护困难等问题[2-3],且不同的家庭或用户每天使用不同种类的设备仪器等,大多数设备仪器都不具备远程控制功能,给智能化控制特别是远程控制带来了很大的障碍。无线智能插座将网络通信和自动化控制融于一体,通过智能家居的家庭网关可实现各种家电设备的自动化控制。

随着物联网技术的飞速发展,无线传感器网络、无线射频识别等与其相关的技术随之快速发展。在短距离无线通信领域中,ZigBee因具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的特性[4],主要用于自动远程控制领域及家用设备联网[5]。插座是日常生活的必备设备,将ZigBee技术运用于插座(如可远程控制的智能插座),已经成为智能家居的应用趋势。借助ZigBee技术和用户手持终端,可以实现手持终端与家用电器之间的无线互联,为远程数据传送和家电监控提供强大的支持平台。

随着电力系统的快速发展,电网容量不断增大,结构日趋复杂,电力系统中实时监测用电设备的用电情况和提高人们的节电意识显得尤为重要。专用电量检测芯片具有高速电能计算功能,可以完成各种电量参数的计算,并能简化电路,被广泛使用于智能检测仪表中,以实时监测用电情况,帮助用户安全用电。

本文设计了集成自动电量测量模块和ZigBee无线网络控制器的智能插座系统。

1设计方案

选用ZigBee无线技术作为远程控制的信息传递媒介,选用电压分压器和锰铜分流器对交流信号进行采样,采样值送入专用的电量检测芯片进行数据处理,采用DS1302为系统提供时间基准,实现智能插座的定时预约功能。采用ZigBee模块作为插座的主控制中心,插座电流的通断由继电器控制。

智能插座ZigBee协调器接收家庭网关或手持设备下达的命令,并通过ZigBee无线网络将命令发送给相应的智能插座,通过继电器控制插座电流的通断,并上报插座状态。系统整体结构如图1所示。

图1　系统整体结构

2硬件电路设计

2.1电源模块

电源模块为基于ZigBee的智能插座提供稳定、可靠的直流电源。该智能插座的工作电压为5 V、3.3 V,其中为电量采集模块供电的电压5 V,为ZigBee模块供电的电压为3.3 V。该部分将AC 220 V电源经过整流、滤波、降压、稳压,直流输出达到5 V,再通过DC-DC隔离电源模块输出为3.3 V,给ZigBee模块供电。

2.2ZigBee微控制器模块

ZigBee模块是设计的重要环节,主控芯片采用ZigBee射频芯片CC2530,以非常低的材料成本建立强大的网络节点,只需很少的外围电路配合就能实现信号的收发。CC2530电路连接如图2所示。

图2　CC2530电路连接

ZigBee模块在初始化时协调器完成网路组建,并将接收到的指令发送到相应的智能插座。终端节点只需加入协调器已建立的网络。该智能插座的相应ZigBee终端在无线传感器网络中接收到协调器发送的指令后,解析并执行指令,上报当前插座状态。

2.3电能计量模块

电能计量模块对插座上的电器耗电量进行计量,包括电压采集电路、电流采集电路、电量测量芯片CS5463,是整个智能插座的重要组成部分。

电量采集包括直接采样和互感器采样。直接采样使用高精度的电阻将220 V电网通过电阻分压的方式降到所需的数据范围采样电压,选用电阻率高、电阻温度系数小的锰铜片进行电流采样。分别用电压互感器、电流互感器采样电压、电流[6]。互感器采样的起动电流较直接采样大,且互感器线圈会产生激磁电流,误差、功耗大,因此采用直接采样方式采样电压、电流。

流过插座的电压和电流经采样后,由电阻和电容构成的低通滤波器,滤去小电压信号中的高频干扰,进入电量测量芯片中进行运算。

该系统选用的电量测量芯片CS5463是专门用于电力参数测量的高精度集成电路,可以精确测量瞬时电压、电流和计算瞬时功率、有功功率、无功功率等参数[7-8],能够进行片上系统校准、电压下降检测。CS5463串行接口能够与微控制器进行双向通信,且接口电路简单。

当插座通上电后,CS5463实时监测插座的电量,将测量计算得到的值通过SPI口输出给ZigBee微控制器模块的单片机CC2530处理,并将数据保存到存储器中,方便用户查询用电情况。当监测的电流值低于插座预设值的待机电流阈值时,微控制模块判断电器处于待机模式,开始计时;在经过预设时间后,发送断开命令给继电器,使插座自动断电。当电流值高于预设值的最大电流值时,判断负载过大,超过插座所能承受的范围,立刻发送命令断开插座电源,并通知用户及时检查用电设备,甄别故障。为保证电路的安全性,CS5463与CC2530之间采用高速光耦6N137隔离。电量计量模块原理如图3所示。

图3　电量计量模块原理

2.4继电器模块

智能插座由三相插头取电,供应其他模块的正常运作。智能插座的插头和插孔之间通过继电器相连,由继电器控制插孔内电流的通断,继电器的断开与闭合由CC2530单片机控制。复位后,芯片CC2530的I/O口为高电平,继电器的线圈内有电流,所以继电器处于常开状态,插座没有接通。当需要接通插座时,设置 I /O 口为低电平,继电器线圈内有电流,继电器闭合,电路导通,插座可为用电器供电。因继电器控制的是交流电的通断,且单片机与继电器的工作电压不同,所以在单片机和继电器之间加光耦隔离。

2.5定时模块

系统采用DS1302芯片实现对智能插座的定时功能,为智能插座提供精准的实时日历信息,确保智能插座的定时功能能够准确运转,并且在插座断电的情况下继续精准走时。DS1302与单片机CC2530通过SCLK、I/O、RST控制线连接。

根据用户的用电习惯,可通过手持终端或家庭网关设置智能插座的开启/关闭时间,经协调器解析数据,通过ZigBee网络上传给要定时的插座,插座上的单片机系统与DS1302时间对比,定时时间一到,通过单片机的I/O端口控制继电器的断开或闭合。定时功能可避免由于忘记开关而造成的电能浪费和家电损坏。

3软件设计

3.1智能插座协调器程序设计

协调器程序由ZigBee网络部分和信息收发部分组成。ZigBee网络部分主要完成网络组建、维护、控制终端节点的加入等。系统上电后,协调器会自动选择信道、网络号,并建立网络。网络建立后,协调器就可以允许其他的设备与其建立连接,控制其他节点的加入。信息收发部分主要接收手持设备下达的命令,并将命令进行分析,将数据下发到相应的智能插座,并对智能插座返回和上报的信息进行处理,再发送到手持设备。在信息收发部分,协调器相当于信息中转站。智能插座协调器程序流程如图4所示。

图4　智能插座协调器程序流程

3.2智能插座终端程序设计

智能插座终端设备上电后会主动扫描查找周围网络的协调器,如果在扫描期限内检测到信标,则获得了协调器的有关信息,向协调器发出加入网络请求。协调器根据其存储空间、能量的资源情况来决定节点的加入请求,然后给节点发送响应。若协调器的资源足够,协调器会给节点分配一个16位的短地址,则该节点将成功地与协调器建立连接,并可以开始通信。智能插座终端成功加入网络后,不断查看是否有事件发生,如果有事件发生,就调用相应的事件处理函数;如果没有任务,就进入休眠,直至定时器过期或终端触发唤醒,终端转入工作模式,执行任务。智能插座终端程序流程如图5所示。

3.3工作流程

智能插座系统上电后,对协调器和智能插座终端节点进行初始化,搭建ZigBee网络通信平台。用户通过手持设备向插座系统协调器发送网络命令或插座控制、查询命令。协调器收到手持设备发来的命令数据后,对数据进行解码分析。如果是网络命令,协调器则根据解析的命令内容对建立的ZigBee网络进行相应的管理;如果是插座控制或查询命令,协调器则根据数据包中目标设备的地址,将数据包通过搭建的ZigBee网络发送给相应的智能插座。智能插座收到数据包后对数据包中的命令进行解析,并向协调器发送应答信息,通知协调器命令执行的结果(成功或失败)。协调器将结果上报给用户手持设备,告知用户对插座的操作是否完成。

图5　智能插座终端程序流程

另外,插座还会主动向协调器和用户上报信息。如智能插座在监测过程中出现用电设备发生故障或电流过大等情况时,能自动断开插座,保证家庭的用电安全,并向用户上报插座故障信息,以便用户及时检查插座和用电设备,甄别故障,及时维修。系统工作流程如图6所示。

图6　系统工作流程

4系统测试

(1) 对电源模块检测。将插座接入家庭电网后,检测智能插座的电源模块输出电压。结果显示,电源模块输出电压为DC 5 V、3.3 V,且输出波形稳定。

(2) 电量测量模块的测试。先检测电量测量芯片CS5463能否正确读写数据,检测方法是向CS5463的寄存器内写入数据后再读取数据,若读取数据与写入数据相同,则CS5463能正确读写数据。为了提高CS5463的实际测量准确度,在插座使用前对CS5463芯片进行AC校准[8]。在进行AC偏移校准时,对CS5663的电压/电流通道加入零信号,AC增益校准提供所设计插座的满量程电压/电流信号,然后对CS5463相应的校准寄存器写入相关的校准命令,并读取校准得到的偏移寄存器值和增益寄存器值,把数值保存在寄存器中。

(3) ZigBee无线通信测试。设置其中1个插座的ZigBee模块为协调器节点,其余4个插座的ZigBee模块配置为终端节点。测试结果表明,插座之间能够通过ZigBee无线网络进行通信。经过不断的调试、修改程序,实现了远程控制插座电流的通断、定时开启与关闭插座、待机自动断电等功能。

5结语

提出了一种基于ZigBee无线网络的智能家居插座系统设计方案,满足智能家居安全性、便利性、舒适性、艺术性的要求,安装简单且无需布线,后期维护方便,采用低功耗通信模块,并能根据负载工作情况检测其电流变化,实现过载自动保护、电器待机自动切断等功能,全面地测量电网参数,不仅为用户分析电器用电情况,还为国家智能电网的构建提供参数依据。

[1]肖宛昂,苏高民,陆廷,等.一种由WiFi智能插座构成的智能家居[J].单片机与嵌入式系统应用,2014(5):46-48.

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Design of Intelligent Socket System Based on ZigBee

ZHANG Sai,GUO Jiahu,LIU Weiguo,WANG Fangfang

(College of Electric and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Abstract：This paper designed an intelligent socket system based on ZigBee technology,which can remotely control the intelligent socket on and off through the handheld terminal and ZigBee network,so as to realize the opening and closing of home appliance equipment,and avoid the unnecessary power consumption standby.The test results show that the socket system can monitor the family electrical equipment in real-time and display the power consumption.It helps customers reasonably adjust the power equipment and power consumption time,in order to effectively reduce the energy consumption.

Key words:ZigBee technology; intelligent socket; hareware circuit design; software design; real-time monitor

收稿日期：2015-12-02

郭家虎(1974—),男,教授,研究方向为计算机控制及无线传感网络。

刘为国(1977—),男,副教授,研究方向为微机测控及煤矿自动化。