基于ZigBee的智能用电管理系统分析

程丽妮，张建强，杨 标，喻伟闯

（1.湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族学院 科技学院，湖北 恩施 445000）

目前，建筑中用电设备间大多数采用物理连线的方式，对楼宇电源开断的控制依赖于人工操作的方式。当房间无人使用或者突发安全状况时，只能人工手动断电，电路出现故障时无法及时发现也不易检修[1]。为保证公共用电的节能性、安全性，设计了一套基于ZigBee技术的集检测、控制和保护为一体的多参数、低成本的楼宇管理系统。本设计将无线通信与视频监测、电源控制技术相结合，可以通过网页客户端实时监控楼栋中各处的情况，一键式控制电源开断。同时，可以感知电路中的异常电流波动，出现异常自动断电并向后台报警告知异常位置，实现楼栋用电设备的实时管理、定点控制和远程监控[2]，节省了大量人力成本。

1 系统方案设计

系统通过终端节点将采集到的传感器检测数据发送给协调器，协调器与WiFi模块交互，将数据汇总发送到服务器，管理人员通过管理客户端实时监测楼栋内用电情况并及时处理。系统总体设计框如图1所示。

图1 系统总体设计框

电路分支中安装有霍尔电流传感器，CC2530芯片内部12位高精度AD采样功能模块对传感器检测的数据进行采集，判断其是否处于高负荷状态，若电路存在危险则立即切断电源，并根据节点位置确定故障出现范围。本系统安装有USB摄像头，通过RT5350WiFi模块将其采集的视频信号传输至控制端。管理人员可通过软件界面查看楼宇状况，并能一键开关设备。

2 系统硬件设计

终端节点使用﹢5 V供电，霍尔传感器用于检测电路中的电流波动情况，检测到的数据通过终端节点传给处理器进行处理分析是否超过阈值，超过阈值则给终端节点下发断电命令，控制继电器断开该部分电源，并将故障地点返回控制端。以此保证用电安全，提高检修效率。其中共包含以下几个部分。

2.1 主控芯片CC2530

CC2530采用增强版8051内核，特点在于具有强大的5通道DMA、IEEE802.5.4MAC定时器、IR发生电路、具有捕获功能的32 kHz睡眠定时器、硬件支持CSMA/CA、8路输入和可配置分辨率的12位ADC、电池监控器和温度传感器等[3]。可大量应用于家庭楼宇自动化、照明系统、工业自动化，低功耗无线传感网络等方面。

2.2 故障检测模块

在本设计中终端节点连接霍尔电流传感器，该传感器基于磁平衡式霍尔原理，电流通过主回路时，原边回路有一被测电流，将产生磁通，此时复边补偿线圈通过的电流所产生的磁通会对其进行补偿，使其保持磁平衡，霍尔器件则始终处于检测零磁通的状态[4]。其中被测电流的任何变化都会破坏这一平衡，一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出[5]。

2.3 继电器电路

本设计中继电器起到控制电路接通关断的作用，继电器受到终端节点的控制，通常继电器接常闭接口，此时继电器与电路短接，当出现过流情况或通过远程控制时，终端节点给继电器一个高电平触发使其与电路断开连接，以此切断该部分用电。

3 系统软件设计

本系统软件设计主要包括通过ZigBee数据传输，视频传输以及控制端管理软件的开发。

采集的原始数据通过ZigBee协议进行传输，处理器将数据与设定阈值进行对比，异常则弹出警告窗口。通过匹配发送信息节点标号确定异常区域，进而断开该部分电源，等待维修。同时通过控制端可远程查看楼栋各处监控视频。软件程序设计的流程如图2所示。

图2 程序设计流程

3.1 ZigBee数据传输

采用ZigBee协议进行数据的无线传输，无线传感网络由中心节点和普通节点组成，普通节点与传感器相连。当一个FFD被激活后，如果网络中不存在网络协调器，则开始组建自己的网络，其他设备加入其组建的网络。在整个无线传感网络中，采取主机轮巡查问和突发事件报告的机制，当主机发送查询命令后，传感器节点给主机回发采集数据[6]。

3.2 视频传输

我们利用USB摄像头采集视频数据，然后视频数据通过RT5350芯片对其进行初步处理传到以太网。首先对待传输的视频数据进行压缩编码，当客户端发送请求后，服务器端将视频数据通过WiFi网络返回给客户端[7]。网络通信校验部分基于HTTP通信协议，需先比对IP地址和端口号来获取视频数据，然后使用WiFi网络将视频数据传送到远端的接收设备[7]。

3.3 控制端软件开发

本设计采用Visual C++6.0运用MFC进行界面菜单和对话框的设计，在MFC中，对资源的操作通常都是通过一个与资源相关的类来完成的。因此需要创建一个类与要调用的子对话框相关联（或者也可以选择程序中已有的一个类与之相关联）[8]：

CTanChuDlg*pdlg=newCTanChuDlg（）；

pdlg-＞Create（CTanChuDlg::IDD，this）；

pdlg-＞ShowWindow（SW_SHOW）；

将按钮的背景位图通过添加对话框背景的方式导入资源视图，然后给按钮添加背景图片，制作出界面的应用图片，依照程序及MFC界面的不同功能进行图片的反复定位[8]。通过以上的基础工作，整合实现了软件界面的设计，应用界面如图3所示。

图3 应用界面

4 结语

本系统采用电脑控制端进行显示，界面中实时显示各楼层是否用电以及用电情况，并提供视频查看入口，当出现人走未断电的情况时可远程控制其断电。本设计充分发挥了ZigBee设备低成本、低功耗、体积小的优势，使用节点覆盖整个楼栋，采集各点用电信息，实现了用电设备实时控制，电路故障区域的锁定功能，并利用节点间的无线传输性能实现了数据的远程采集与分析，及时控制电路通断，确保了用电安全。