基于zigbee技術的無線智能插座設計方案研究

梁娜

摘要：本文設計了一款基于zigbee無線通信技術的家電能耗計量和監(jiān)控插座。該設備能夠實時監(jiān)測家用電器的耗電量，并具有zibgee通信功能，能夠組建網絡并將數據上傳至服務器進行集中分析和監(jiān)控，同時能夠監(jiān)測用電器的工作狀態(tài)，對非正常狀態(tài)進行報警和斷電，從而實現了節(jié)約用電和安全用電。

關鍵詞：zigbee技術；無線智能插座前言

家用電器的廣泛使用，提高了人們的生活水平，但是，不良的用電習慣時常給人民的生命和財產安全造成巨大的損失。據公安部門和消防部門相關資料顯示，我國每天平均發(fā)生火災350多起，其中因超負荷、短路等原因引起的電器火災占到了30%以上，美國奧柏林大學的研究人員通過實驗發(fā)現對能耗實施監(jiān)控機制，能夠使整個學校的學生宿舍在兩周內減少32%的電能損耗。英國牛津大學環(huán)境學院在2006年的一份調查報告中闡述了對家用電器用電狀態(tài)進行實時監(jiān)控的意義和必要性。

與此同時，物聯(lián)網技術的提出被視為信息通信技術發(fā)展的重要里程碑，它利用通信技術，將家用電子設備進行集中的控制和管理，從而創(chuàng)造出高效、舒適、安全、居住環(huán)境。如何將物聯(lián)網技術和家電的用電狀態(tài)監(jiān)控結合起來將成為安全用電、節(jié)能減排的一個新的切入點。在此基礎上，本文提出了一款基于無線ZIGBEE技術的智能插座設計方案，該設備除了具有傳統(tǒng)插座的功能外，還具有無線通信、電壓電流采集、電能計量、過壓過流保護、自動開關、報警、休眠、信息顯示以及組網等功能，是一款功能齊全的智能插座。

1.智能插座的系統(tǒng)構架

基于zigbee技術的無線智能插座硬件系統(tǒng)主要由電源模塊、無線微控制器模塊、電量采集單元、時鐘模塊、繼電器控制單元、報警單元、鍵盤輸入單元、顯示單元等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1智能插座系統(tǒng)框圖

電源模塊將交流市電轉換為直流電，為其余模塊供電；電量采集模塊包括電壓采集和電流采集兩部分，用于采集用電設備的能耗信息，本文利用電能計量芯片ADE7755實現。電壓互感器和電流互感器用于對電壓和電流信號進行采樣， 并經由流/壓變換電路轉換為ADE7755能夠接收的信號，進而通過電能計量芯片的內部電路計算出電參數。微控制器采用帶有ZIGBEE無線通信功能的CC2430芯片，既負責控制本節(jié)點的工作， 又負責和網絡上的其他節(jié)點進行無線通信。CC2430通過IO接口與ADE7755芯片相連，讀取測量的各種數據并進行運算處理，通過顯示模塊進行顯示，同時還能通過內部的無線通信模塊和其他節(jié)點之間進行數據的交換。

2.主要模塊硬件電路設計

2.1 無線微控制器模塊

CC2430單片機是德州儀器（TI）公司生產的一款片上系統(tǒng)解決方案，它基于IEEE 802.15.4和Zigbee通信協(xié)議。片內外設非常豐富：在單個芯片上集成了CPU、存儲器、常用片內外設和RF射頻單元。它具有1個8位CPU（8051），具有最大128KB可編程FLASH和8KB的SRAM，，主要包括1個5通道8位至14位可編程ADC轉換器、4個定時器、2個USART，1個DMA控制器、1個看門狗定時器、1個內部穩(wěn)壓器、21個可編程I/O引腳。CC2430內部已集成了正常工作所必須的電路，因此用戶僅需搭建少量的外圍電路就能實現信號的發(fā)送和接收。

2.2 電量采集模塊

ADE7755是一種精度非常高的電量計量芯片，它通過內部電路對電壓和電流直接相乘得到瞬時有功功率，再由瞬時有功功率計算出平均有功功率。如圖2所示，電壓和電流信號分別經過兩路A/D轉換器，轉換成的數字信號分別送入電流通道V1N、V1P以及電壓通道V2N、V2P。經過濾波后的電壓信號和電流信號經過乘法器進行相乘運算，所得到的信號再經過一個低通濾波器濾掉交流分量，輸出的直流分量即為瞬時有功功率。這一信號經過數頻轉換器轉換成和平均有功功率成正比的低頻信號，經過F1和F2端口輸出，同時，從高頻口CF輸出與瞬時有功功率成正比的脈沖信號。ADE7755電量采集電路如圖2所示。

圖2ADE7755電量采集電路

2.3 電源模塊

穩(wěn)定的電源是系統(tǒng)正常工作的保障。該智能插座系統(tǒng)用到的工作電壓有5 V 和3.3 V兩種，其中前者為電量采集模塊、時鐘模塊、顯示模塊提供電源，后者為無線通信模塊提供電源。電源電路如圖3所示。

圖3直流穩(wěn)壓電源電路

2.4 時鐘模塊

由于單片機內部定時器誤差較大，因此本方案選用Dallas 公司生產時鐘芯片DS1302，該芯片精度高、功耗低、運行可靠。DS1302 采用三總線與單片機進行通信，外接的晶振頻率為32.768 kHz，可以對年、月、日、時、分、秒、星期進行計數。

3、軟件設計

本方案在軟件設計上采用模塊化結構，包括主控制器模塊、信號采集和處理模塊、鍵盤管理模塊、LCD 信息顯示模塊、時鐘模塊和開關動作控制模塊。插座上電后，系統(tǒng)進行初始化，之后進行狀態(tài)檢測，即、電流、電壓檢測，功率計算、并將采集的結果顯示在液晶屏上。當單片機得到電流信號或電壓信號超過了正常工作的限定值時，控制器會立即通過蜂鳴器和LCD 報警，并控制繼電器切斷負載所在的回路。當DS1302 內部相關寄存器的值和用戶的設定值相同時，，單片機對繼電器進行相應的控制插座將按照用戶的設定值進行定時通斷。報警控制單元的流程圖如圖4所示。

圖4報警控制單元流程圖

4.結束語

本文提出了基于zigbee無線通信技術的智能插座硬件設計方案和軟件解決方案。該智能插座具有電量采集、智能監(jiān)控、組網通信等功能，能夠滿足現代社會安全用電和節(jié)能降耗的需求，同時將滿足智能家居和物聯(lián)網的發(fā)展需求。隨著智能家居的迅速發(fā)展，智能插座將在人們的日常生活中發(fā)揮越來越廣泛的作用。（作者單位：石家莊職業(yè)技術學院電氣與電子工程系）

河北省科技廳科技支撐課題 課題號：12210423

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