摘  要： 針對大場所電器管理自動化應(yīng)用需求,，設(shè)計實現(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,，方便快捷地實現(xiàn)電器遠程控制,；并以實驗室為平臺對系統(tǒng)功能進行調(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)計進行了改進和完善，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巡查,。對于辦公樓和居民區(qū)等大型場所的管理將會耗費大量的人力物力,，而且管理人員必須到現(xiàn)場才能準(zhǔn)確及時地發(fā)現(xiàn)用電問題。為了準(zhǔn)確控制用電設(shè)備，設(shè)計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)或藍牙技術(shù)[1]的遙控開關(guān)解決了這一問題。但藍牙通信距離僅為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，因此不適合實際應(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程控制傳感器數(shù)據(jù)傳輸,。同時ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用分層管理機制,，可組成具有65 536個節(jié)點的大型網(wǎng)絡(luò)；每個ZigBee節(jié)點還可與多達31個的傳感器直接連接,，進行數(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,、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大,、傳輸可靠,、應(yīng)用簡單和安全的特點使得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)計實現(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)計實現(xiàn)的家庭智能控制器,，主要實現(xiàn)了家用水表和電表的控制和監(jiān)測,，子節(jié)點間不進行組網(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)計實現(xiàn)了大范圍的電器自動化管理與控制，同時結(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)的特點和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有的雇傭?qū)Ｈ硕〞r巡查,、基于WiFi,、紅外及藍牙技術(shù)等家用電器管理系統(tǒng)的缺點和不足，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)點組網(wǎng)通信,，及時反饋電器設(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)則進行電器設(shè)備管理,，實現(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],，實現(xiàn)了數(shù)千個微小傳感器之間的相互協(xié)調(diào)通信。ZigBee具備強大的設(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：一個控制中心用于分析處理數(shù)據(jù)和組網(wǎng)控制；一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點,，用于采集室內(nèi)溫度,、光強度和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,、電源控制節(jié)點和總閘控制節(jié)點,，用于實現(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)計如圖2所示,。

     本系統(tǒng)中,，傳感器節(jié)點采集室內(nèi)環(huán)境溫度、光強度和各個電器設(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)過度浪費現(xiàn)象時,，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，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)及時反饋給用戶。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)等緊急情況需要及時斷電時,，用戶可以用手機遠距離發(fā)送控制命令實現(xiàn)斷電,，保證了人身安全，同時防止意外事故影響擴大,。
2.2 控制中心
    控制中心負責(zé)用戶指令解析,、數(shù)據(jù)處理和節(jié)點控制命令發(fā)送，由1臺PC機,、GSM模塊和協(xié)調(diào)器組成,，如圖3所示。PC機主要負責(zé)數(shù)據(jù)的存貯以及命令解析和管理軟件運行,；協(xié)調(diào)器由1個CC2430/31芯片和USB-RJ232串口線組成,，主要負責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立、與數(shù)據(jù)采集節(jié)點和控制節(jié)點綁定,、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機進行處理和顯示；GSM模塊主要負責(zé)接收用戶短信,，并將用戶反饋信息上傳給PC機,。

    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機上運行,，對協(xié)調(diào)器和GSM模塊傳回數(shù)據(jù)進行分析和決策,，并將決策轉(zhuǎn)換為指令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)對電器的智能化控制,。同時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)點進行數(shù)據(jù)接力傳遞,，不僅可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑫r拓寬了中心節(jié)點控制范圍和無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋范圍,，拓展了系統(tǒng)管理范圍,。
2.3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點
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,、傳輸距離遠等特點。
    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)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、高速暫存器,。DS18B20高速暫存器共有9個存儲單元,，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,，計算方式如下：二進制中的前5位是符號位，如果實測溫度為正,，5位符號位全為0,，實際溫度值=（高字節(jié)×256+低字節(jié)）×0.062 5；如果實測溫度為負,，5位符號位全為1,，實際溫度值=(高字節(jié)補碼×256+低字節(jié)補碼)×0.062 5。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計
    數(shù)據(jù)采集節(jié)點[6]主要由溫度采集節(jié)點和光感采集節(jié)點組成,，主要負責(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)進行采集。數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要由CC2430節(jié)點,、DS18B20、LM393及光敏電阻組成,。為了實現(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
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，其功能是平時維持電信號輸入,、輸出間有良好的隔離作用,，需要時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)點設(shè)計
    電源控制節(jié)點的功能是實現(xiàn)針對像空調(diào)等大功率用電器工作狀態(tài)檢測和遠程控制,。電源控制節(jié)點主要由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，實現(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
    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)計實現(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),，方便快捷地實現(xiàn)對空調(diào),、電視機的工作狀態(tài)遠程控制,。
    如圖6所示，紅外開關(guān)節(jié)點主要由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)計了按鍵支持用戶更改控制功能,。有按鍵操作時,，1838一體化紅外線接收器對用戶自定義控制進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,，紅外發(fā)射器將對應(yīng)的指令進行編碼調(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
2.6.1 MX+OF分勵脫扣器
    MX+OF分勵脫扣器有4個接線端子,，在接線時應(yīng)將端子C1、C2接工作電壓,，C1通過外部控制觸點接交流電源的N線（或直流電源的負極）,，C2接交流電源的相線（或直流電源的正極）；有源觸點C2-12,、C2和14分別在斷路器“斷開”和“閉合”時接通,。MX＋OF動作要消耗一定大小的能量，要求輸入12 V直流電,，斷電動作才能進行,。
2.6.2 總閘控制節(jié)點設(shè)計
    如圖7所示，總閘控制節(jié)點主要包含MX+OF分勵脫扣器,、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；同時接收控制中心發(fā)送的控制命令,?？傞l控制節(jié)點主要負責(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大和保證人員安全時,，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行自動控制，并可將緊急狀態(tài)及時發(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負責(zé)通信處理,，由MSP430負責(zé)接口管理,，無線通信和接口控制獨立并行，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,。
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