摘 要： 針對大場所電器管理自動化應用需求，設計實現了基于ZigBee電器智能管理系統，使用戶能夠通過簡單的短信指令，方便快捷地實現電器遠程控制；并以實驗室為平臺對系統功能進行調試分析，提出了一種基于CC2430和MSP430的雙CPU架構拓展模式和中繼通信傳輸模式方案。對系統的可靠性和穩(wěn)定性設計進行了改進和完善，使系統具有更好的應用前景。
關鍵詞： ZigBee；紅外遙控；遠程控制；信號處理；物聯網
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[1]應運而生。
對于現有的家用電器節(jié)電管理系統，最常用的方法是雇傭專人定時巡查。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場才能準確及時地發(fā)現用電問題。為了準確控制用電設備，設計了基于電路檢測的電氣控制系統。該方法能夠讓用戶了解耗電情況并可加以控制，但這種技術工藝復雜，而且針對現有建筑，需要重新布線，加大了改造成本?？紤]到有線監(jiān)控的局限性，基于紅外技術或藍牙技術[1]的遙控開關解決了這一問題。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)境的適應性不好，而且擴展性較差，限制了系統大范圍的應用推廣；基于WiFi的管理系統成本又太高，電器管理控制指令數據量較小，造成帶寬的極大浪費，因此不適合實際應用需求。
ZigBee技術[1-2]是一種具有技術標準的短距離無線通信技術，其PHY層和MAC層協議基于IEEE802.15.4協議標準，適合于自動控制和遠程控制傳感器數據傳輸。同時ZigBee網絡節(jié)點采用分層管理機制，可組成具有65 536個節(jié)點的大型網絡；每個ZigBee節(jié)點還可與多達31個的傳感器直接連接，進行數據采集與監(jiān)控或數據自動轉發(fā)，拓展了系統管理范圍。功耗低、成本低、時延短、網絡容量大、傳輸可靠、應用簡單和安全的特點使得ZigBee無線通信技術[3]成為電器管理系統的首要選擇。
南忠良等人[1]設計實現的基于ZigBee通信技術的智能家居系統主要針對小區(qū)用戶的環(huán)境安防和門禁系統等應用，缺乏對現有電器設備控制優(yōu)勢的有效利用，例如空調控制應該與紅外相結合；陳智杰等[3]將MCF52235高性能微控制器與ZigBee相結合設計實現的家庭智能控制器，主要實現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狀的基礎上，有效利用ZigBee組網優(yōu)勢，設計實現了大范圍的電器自動化管理與控制，同時結合了GSM網絡，為用戶的管理和控制提供方便。
本文在分析ZigBee無線傳感器網絡的特點和關鍵技術的基礎上，針對現有的雇傭專人定時巡查、基于WiFi、紅外及藍牙技術等家用電器管理系統的缺點和不足，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傳感器網絡節(jié)點組網通信，及時反饋電器設備的狀態(tài)和環(huán)境參數等信息，并根據預先定義的規(guī)則進行電器設備管理，實現節(jié)能節(jié)電、安全用電以及智能化管理目標。
1 ZigBee
ZigBee[2]是一種短距離、低功耗、低速率和低成本的無線網絡技術，主要用于近距離無線通信。它依據IEEE 802.15.4標準[4-5]，實現了數千個微小傳感器之間的相互協調通信。ZigBee具備強大的設備聯網功能，支持3種主要的自組織無線網絡類型，具有很強的網絡健壯性和系統可靠性，如圖1所示。
如表1所示，與其他無線通信技術相比，ZigBee的優(yōu)勢在于功耗低、價格便宜，適合應用于低速率短距離的傳感器和控制網絡中。本文所描述的大范圍電器網絡管理應用的正是ZigBee。
2 基于ZigBee電器智能管理系統
2.1 系統總體架構
基于ZigBee的電器智能管理系統主要由以下幾部分組成：一個控制中心用于分析處理數據和組網控制；一個數據采集節(jié)點，用于采集室內溫度、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，包括紅外開關節(jié)點、電源控制節(jié)點和總閘控制節(jié)點，用于實現相應的電氣設備工作狀態(tài)控制。系統總體框架設計如圖2所示。
本系統中，傳感器節(jié)點采集室內環(huán)境溫度、光強度和各個電器設備工作狀態(tài)等參數，并將數據傳回控制中心，控制中心進行相應的數據處理，判斷電器設備用電狀態(tài)是否合理；當出現過度浪費現象時，系統會立即給用戶發(fā)送提醒短信。用戶根據短信提示發(fā)送相應操作控制命令，控制中心收到并解析用戶命令，并將命令轉發(fā)給控制節(jié)點，完成相應的控制操作；完成控制任務后，控制中心將當前電器設備工作狀態(tài)及時反饋給用戶。當發(fā)生火災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
控制中心負責用戶指令解析、數據處理和節(jié)點控制命令發(fā)送，由1臺PC機、GSM模塊和協調器組成，如圖3所示。PC機主要負責數據的存貯以及命令解析和管理軟件運行；協調器由1個CC2430/31芯片和USB-RJ232串口線組成，主要負責ZigBee網絡建立、與數據采集節(jié)點和控制節(jié)點綁定、完成對環(huán)境數據的采集和電器設備工作狀態(tài)控制，經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)了系統管理軟件，在PC機上運行，對協調器和GSM模塊傳回數據進行分析和決策，并將決策轉換為指令發(fā)送給協調器，實現對電器的智能化控制。同時利用中繼接力傳輸模式，在無線傳感網絡[5]中加入中繼節(jié)點進行數據接力傳遞，不僅可以提高數據傳輸的可靠性，同時拓寬了中心節(jié)點控制范圍和無線傳感網絡節(jié)點覆蓋范圍，拓展了系統管理范圍。
2.3 數據采集節(jié)點
2.3.1 DS18B20
DS18B20型單線智能溫度傳感器是DALLAS半導體公司生產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內部結構主要由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據的低字節(jié)和高字節(jié)。DS18B20采用單總線專用技術，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據高低字節(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 數據采集節(jié)點設計
數據采集節(jié)點[6]主要由溫度采集節(jié)點和光感采集節(jié)點組成，主要負責采集環(huán)境參數，并通過網絡將采集數據傳送回控制中心，為電器管理和環(huán)境指數監(jiān)測提供基礎數據。
數據采集節(jié)點以ZigBee的精簡功能設備(RFD)為核心，以15 min為周期對溫度和光感等環(huán)境參數進行采集。數據采集節(jié)點主要由CC2430節(jié)點、DS18B20、LM393及光敏電阻組成。為了實現光亮度監(jiān)測，通過調節(jié)變阻器阻值，設定光亮度閾值，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換成直流電的裝置或元件。DB107S整流器為將AC轉換為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)點設計
電源控制節(jié)點的功能是實現針對像空調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換為低壓直流數字信號。通常交流電轉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整流橋將220 V交流電變壓為低壓交流電，然后經過TLP521-1GB的光耦整流將低壓交流電轉換為直流電，再經過RC電路濾波和分壓電路得到CC2430能夠接受的3 V直流電輸入數字信號，為CC2430提供電源的同時，實現電器工作狀態(tài)檢測。
CC2430的引腳最大驅動電流只有20 mA，為了實現控制像空調這樣大電流設備，在CC2430與開關之間加入一個固態(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
針對現在辦公室和家庭紅外遙控用電器愈來愈多的情形，設計實現了基于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習，方便快捷地實現對空調、電視機的工作狀態(tài)遠程控制。
如圖6所示，紅外開關節(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。當有鍵被按下或是接收到相應的控制命令時，紅外發(fā)射器將對應的指令進行編碼調制，并通過二極管發(fā)射出去，從而完成空調等設備的控制。
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、交直流轉換模塊和CC2430芯片構成?？傞l控制節(jié)點先通過交直流轉換模塊將220 V電壓轉換為12 V直流電，為MX+OF分勵脫扣器斷電提供能量，并經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)點主要負責當發(fā)生火災等事故，需要應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急斷電任務，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的測試，系統可以準確監(jiān)測環(huán)境參數變化情況，并準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，根據用戶返回指令完成相應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架構拓展模式，即由CC2430負責通信處理，由MSP430負責接口管理，無線通信和接口控制獨立并行，極大地提高了系統的可靠性和穩(wěn)定性，使系統具有更好的應用前景。
參考文獻
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[6] 畢衛(wèi)紅，陳鑫.基于GSM的智能溫室檢測系統[J].電子測量技術，2009，34(3)：114-116.