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
在提倡節約型社會、注重節能環保的今天，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。考慮到有線監控的局限性，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網絡節點采用分層管理機制，可組成具有65 536個節點的大型網絡；每個ZigBee節點還可與多達31個的傳感器直接連接，進行數據采集與監控或數據自動轉發，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用戶的環境安防和門禁系統等應用，缺乏對現有電器設備控制優勢的有效利用，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測，子節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傳感器網絡節點組網通信，及時反饋電器設備的狀態和環境參數等信息，并根據預先定義的規則進行電器設備管理，實現節能節電、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信息；電器控制模塊，包括紅外開關節點、電源控制節點和總閘控制節點，用于實現相應的電氣設備工作狀態控制。系統總體框架設計如圖2所示。
本系統中，傳感器節點采集室內環境溫度、光強度和各個電器設備工作狀態等參數，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是否合理；當出現過度浪費現象時，系統會立即給用戶發送提醒短信。用戶根據短信提示發送相應操作控制命令，控制中心收到并解析用戶命令，并將命令轉發給控制節點，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及時反饋給用戶。當發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、數據處理和節點控制命令發送，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、與數據采集節點和控制節點綁定、完成對環境數據的采集和電器設備工作狀態控制，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，同時拓寬了中心節點控制范圍和無線傳感網絡節點覆蓋范圍，拓展了系統管理范圍。
2.3 數據采集節點
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、非揮發的溫度報警觸發器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和高字節。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×256+低字節）×0.062 5；如果實測溫度為負，5位符號位全為1，實際溫度值=(高字節補碼×256+低字節補碼)×0.062 5。
2.3.2 數據采集節點設計
數據采集節點[6]主要由溫度采集節點和光感采集節點組成，主要負責采集環境參數，并通過網絡將采集數據傳送回控制中心，為電器管理和環境指數監測提供基礎數據。
數據采集節點以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境參數進行采集。數據采集節點主要由CC2430節點、DS18B20、LM393及光敏電阻組成。為了實現光亮度監測，通過調節變阻器阻值，設定光亮度閾值，通過LM393比較器與閾值比較，判斷環境光亮信息。
2.4 電源控制節點
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 電源控制節點設計
電源控制節點的功能是實現針對像空調等大功率用電器工作狀態檢測和遠程控制。電源控制節點主要由CC2430芯片、DB107S整流橋、TLP521-1GB和固態繼電器組成。
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→不穩定的直流→穩壓→穩定的直流電。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繼電器元件，通過CC2430引腳控制固態繼電器工作，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、電視機的工作狀態遠程控制。
如圖6所示，紅外開關節點主要由1838一體化紅外線接收器、LC7461紅外發射頭和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，紅外發射器將對應的指令進行編碼調制，并通過二極管發射出去，從而完成空調等設備的控制。
2.6 總閘控制節點
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 總閘控制節點設計
如圖7所示，總閘控制節點主要包含MX+OF分勵脫扣器、交直流轉換模塊和CC2430芯片構成。總閘控制節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送的控制命令。總閘控制節點主要負責當發生火災等事故，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，系統可以準確監測環境參數變化情況，并準確判斷電器工作狀態，在沒有用戶介入的情況下對電器進行自動控制，并可將緊急狀態及時發給用戶，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定性，使系統具有更好的應用前景。
參考文獻
[1] 南忠良，孫國新.基于ZigBee技術的智能家居系統設計[J].電子設計工程，2010，18(7)：117-119.
[2] IEEE Standard for Part 802.15.4：wireless medium access control(MAC) and physical layer(PHY) specifications for low rate wireless personal area networks(LR-WPANs) [S].2003.
[3] 陳智杰，余楚中，王鵬飛，等.ZigBee技術在家居智能監控中的應用研究[J].微計算機信息，2011，27(1)：64-66.
[4] HEINZELMAN W R，CHANDRAKASAN A，BALAKRISHNAN H.Energy efficient communication protocols for wireless microsensor networks[C].Proc.of the Hawaii International Conference on Systems Sciences，2000.
[5] KINNEY P.ZigBee technology：wireless control that simply works[R].2003.
[6] 畢衛紅，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.