基于ZigBee的智能用能管理系统设计和实现

摘要：为了更有效、便捷、智能的对用能进行管理，提出了一套基于ZigBee技术的智能用能管理系统方案；该系统由智能交互终端和智能监控设备组成，对用能信息进行采集，并将采集和分析后的数据通过智能交互终端进行展现，实现对智能监控设备的远程控制。该文分析了ZigBee技术，介绍了系统的整体、硬件和软件的设计和实现。该系统可以有效的帮助用户了解自身能耗，达到智能用能的效果。

关键词：ZigBee；远程监控；用能管理

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)30-7489-03

The Design and Implementation of Smart Energy Management System Based on ZigBee

GAO Chao

(Anhui Nari Jiyuan Software CO.，LTD., Hefei 230088, China)

Abstract: To effective, convenient and smart manage energy, A solution of smart energy management system based on ZigBee is put forward.The system , which is composited by intelligent interactive terminal and intelligent monitoring device, can collect energy informations, analyze energy informations, display analysis results by intelligent interactive terminal and implement remote control of intelligent monitoring device. The article analyze ZigBee technology, describes the design and implementation of system. This system can effectively help users understand their energy consumption informations and achieve the goal of smart energy.

Key words: ZigBee; remote control; energy management

目前，节能环保的意识已深入人心，降低能耗成为社会共识。我们首先需要对用能进行监控管理，了解用能情况，才能为节能减排提供改进基础和依据。但目前广泛缺少足够的手段对家庭和企业的用能进行管理，家庭用能还停留在手动控制阶段，也只能通过每户的电表了解总体用能情况；企业虽然纷纷开始采用各种仪器、仪表对能耗进行监测，但主要还停留在手工现场抄表、控制的阶段。为此，我们设计了智能用能管理系统。本系统利用智能监控设备对主要用能设备进行监测和控制；智能交互终端和智能监控设备进行网络通信，通过获取智能监控设备记录的用能设备能耗信息实现用能监测，通过控制智能监控设备实现用能控制，并在智能交互终端对用能数据进行分析和展现。

通讯网络技术中，主要有线和无线两种通讯方式。因为有线网络具有布线麻烦、扩展性差等缺陷，本系统采用无线网络通信技术。在无线网络通信中也存在着很多技术，如红外、蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等等。与其他技术相比，ZigBee具有低功耗、低成本、短时延、组网方式灵活等特点，特别适合于小范围的无线组网控制，完全能够满足用能管理对网络通信的要求。

1 ZigBee技术

1.1 ZigBee概述

ZigBee是一种无线网络协议，主要由ZigBee Alliance制定，从1998年开始发展。ZigBee技术底层采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体存取层与实体层。

和其它技术相比，ZigBee具有一些优势，更适合在用能监控网络中使用：

1）低功耗：ZigBee节点可以在不需要通信时进入低功耗的休眠状态，在低耗电休眠模式下，2 节5 号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。而蓝牙能工作数周、WiFi只能工作数小时。在无法直接取电，使用电池工作的监测节点使用ZigBee技术是很好的选择。

2）低成本：每块ZigBee芯片的价格大约为2美元，与蓝牙等技术相比较要低很多。低成本的ZigBee可以被广泛应用于民用和商用无线监控领域。

3）短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms。相比较，蓝牙需要3～10s、Wi-Fi需要3s。用能监控网络需要网络节点能够迅速的响应控制命令，ZigBee也就成为了最佳选择。

4）高容量网络：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254 个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的无线网络。而蓝牙每个网络最多只有8个节点。

5）自组网：网络节点能够适应网络的动态变化，快速检测其它节点的存在和探测其他节点的能力集，网络节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何其它预置的网络设施，可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点，任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性和健壮性。

6）免执照频段：ZigBee工作在工业科学医疗(ISM)频段中，其中868MHz频段适用于欧洲，915MHz频段适用于美国和澳大利亚，2.4GHz频段在全世界范围通用。

1.2 ZigBee节点类型

ZigBee设备分为三种：协调器，路由器和终端节点。个人局域网（Personal Area Network， PAN）由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。

1）协调器：最多功能的设备，协调器是网络的根节点，也可作为网桥连接到其它网络。它会选择一个通道和PAN ID启动网络，并允许路由器和终端设备加入网络，在每个网络中有且只有一个协调器。它可以存储路由数据，担任信任中心和密钥储藏室的职责，协调器不能够休眠，必须持续供电。

2）路由器：路由器可以作为中继节点，传递来自其它设备的数据。路由器必须加入一个PAN 才能发送、接收和路由数据。在加入PAN后，可以允许路由器和终端设备加入网络，可以存储路由数据，和协调器一样必须持续供电。

3）终端设备：终端设备仅能用于和协调器\路由器类型的父节点进行通话，不能转发来自其它设备的数据。终端设备必须加入一个PAN 才能发送、接收数据。这些特性让终端设备能够进入长时间的休眠状态以延长电池使用时间。虽然终端设备是功能最弱的ZigBee设备，却也因此成为最便宜和省电的ZigBee设备。

2 系统整体设计方案

本系统由含有ZigBee协调器模块的智能交互终端和含有ZigBee路由器或终端模块的智能插座、智能开关、温度探测器等智能监控设备组成。

智能交互终端含有ZigBee协调器模块，可以建立ZigBee无线通信网络，含有ZigBee路由器或终端模块的智能监控设备加入ZigBee无线通信网络中，从而实现智能交互终端与智能监控设备的通讯。

用能设备通过智能插座和智能开关取电，智能插座和智能开关记录并存储用电设备的用能信息。智能交互终端通过网络获取用电设备的用能信息，并通过远程控制智能插座和智能开关的开断来实现对用能设备的控制；智能交互终端通过ZigBee无线通信网络获取温度探测器等探测设备监测到的数据；智能交互终端将获取到的用能和环境数据分析后展现给用户。

系统总体结构如图1所示。

3 系统硬件设计方案

智能交互终端采用包含TI OMAP A8 3730处理器、512MRAM和7寸多点触摸电容屏的平板电脑为基础进行研发，将XBee生产的ZigBee协调器模块通过串口连接到平板电脑的主板。

智能监控设备都含有XBee芯片的ZigBee路由器或终端模块。以智能插座为例，智能插座由中央处理模块、数据采集模块、控制模块、ZigBee无线通信模块、数据存储模块以及电源模块组成。智能插座硬件结构图如图2所示。

智能插座的中央处理模块，其输入输出端分别与ZigBee无线通信模块和数据存储模块相连，其输入端与数据采集模块相连，其输出端与继电器相连。

4）中央处理模块：解析接收智能交互终端的指令，实现协调各功能模块协调运行的功能，采用宏晶科技生产的STC12C5620单片机。该单片机指令代码完全兼容传统8051，内部集成MAX810专用复位电路，4路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。

5）数据采集模块：实现智能电源插座上用电设备的电压、电流、瞬时功率、总用电量信息的采集，采用CS5460A为核心构成。CS5460A是一个包含有两个△∑模一数转换器(ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高集成△∑模一数转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS和VRMS。

6）控制模块：根据中央处理模块的命令，实现控制智能插座通断状态的功能，采用松川507继电器。松川507是一种高灵敏继电器，同时支持AC和DC线路，它的超小体积很适合开关和插座使用。

7）ZigBee无线通信模块：实现智能插座与智能交互终端之间的通信功能，采用XBee模块。XBee为2.4 GHz 无线通信接口，具有基于Mesh 网的固件，支持ZigBee协议栈。模块功耗仅为3.1 mW（+5 dBm），传输距离可达120m。

8）数据存储模块：自动存储总用电量功能，支持断电存储，存储模块采用富士通公司铁电存储器FM25L256。FM25L256是具有高达20M读写速度，高达一百亿次的擦写次数，具有SPI接口的工业级存储芯片。

9）电源模块：电源模块采用LinkSwitch系列低功耗，高效率的开关电源芯片，输入工作电压范围宽（85V-265V），可输出3.3V和5V电压，最大可提供360MA电流。

4 智能交互终端软件设计方案

4.1 开发环境

智能交互终端采用Windows Embedded CE 6.0操作系统，基于Visual Studio 2008开发工具基于C#3.5语言开发。数据库方面采用SQLite 3,SQLite是一款轻型的数据库，是遵守ACID的关联式数据库管理系统，它的设计目标是嵌入式的，占用资源非常的低，在嵌入式设备中，可能只需要几百K的内存就够了。它能够支持Windows/Linux/Unix等等主流的操作系统，能够跟很多程序语言相结合。

4.2 系统关键技术

4.2.1 串口通信技术

串行接口是一种可以将接受来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。一般完成这种功能的电路，我们称为串行接口电路。串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。通信使用3根线完成：1）地线，2）发送，3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其它线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。

在智能交互终端上，ZigBee协调器模块通过串行接口到智能交互终端的主板上，智能交互终端通过串口通讯访问ZigBee协调器模块，从而实现对ZigBee智能监控设备的管理。

串口设置并打开的程序如下：

SerialPort serialPort = new SerialPort();

serialPort.PortName = ”COM3”;

serialPort.BaudRate = 19200;

serialPort.Parity = Parity.Even;

serialPort.DataBits =8;

serialPort.StopBits = StopBits.One;

serialPort.Open();

4.2.2 基于多线程的ZigBee智能监控设备管理

在WINCE下，线程是基本执行单元。单线程执行一系列应用程序指令，并且在应用程序中从头到尾都经由单一的逻辑路径。所有的应用程序都至少有一个线程，但是可以将它们设计成使用多线程，并且每个线程执行一个单独的逻辑。在应用程序中使用多线程，可以将冗长的或非常耗时的任务放在后台处理。即使在只有单处理器的计算机上，使用多线程也可以非常显著地提高应用程序的响应能力和可用性。

本系统采用多线程技术进行ZigBee智能监控设备的监测和控制，有效的防止了因为读写串口和等待ZigBee智能监控设备响应引起系统用户界面响应慢的问题，带来了友好的用户体验。发送设备控制命令时，主线程生成控制命令数据包，并将数据放入发送命令缓冲区中，发送命令线程循环从命令缓冲区读取命令并通过串口发送给ZigBee协调器模块。接收ZigBee智能监控设备消息时，接收消息线程循环读取接受消息，通过WinCE的事件机制通知主线程处理消息。

主线程发起设备控制流程图如图3所示。发送消息线程工作流程图如图4所示。接受消息线程工作流程图如图5所示。

5 结束语

本文介绍了基于ZigBee的智能用能管理系统设计和实现方案。系统基于.Net技术在Windows Embedded Compact 6上实现，综合运用了微计算机技术、ZigBee无线通信技术等领域的最新成果，实现了对用能情况的实时监测和控制。本系统可用于家庭用能的管理，为家庭用户提供舒适绿色的用能;也可用于企事业单位的用能管理，实现用能的整体控制，了解企事业单位的能耗分布和能耗特点，为企事业单位的节能计划提供数据基础。本文研制的系统实用性强，实施方便，具有很好的应用前景。

参考文献：

[1] ZigBee Standards organization. ZigBee Speification, Version 17. ZigBee Alliance, 2008.

[2] ZigBee Standards organization. ZigBee2007 Layer PICS and Stack Profiles, Version 3, ZigBee Alliance, 2008.

[3] 朱永利,陈涛,郭少杰.ZigBee技术在无线抄表中的应用[J].电力系统通信,2008,29(190).

[4] 郭湘勇,刘宏立,周平,等.基于ZigBee技术的建筑能耗监测系统设计[J].计算机测量与控制,2011,19(3).

[5] 黄智伟,唐冬,王彦.嵌入式智能家居系统网关无线收发模块电路设计[J].计算机测量与控制,2004,6(12).

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