1、基于 zigbee 技术的无线智能插座设计方案研究摘要：本文设计了一款基于 zigbee 无线通信技术的家电能耗计量和监控插座。该设备能够实时监测家用电器的耗电量，并具有 zibgee 通信功能，能够组建网络并将数据上传至服务器进行集中分析和监控，同时能够监测用电器的工作状态，对非正常状态进行报警和断电，从而实现了节约用电和安全用电。 关键词：zigbee 技术；无线智能插座前言 家用电器的广泛使用，提高了人们的生活水平，但是，不良的用电习惯时常给人民的生命和财产安全造成巨大的损失。据公安部门和消防部门相关资料显示，我国每天平均发生火灾 350 多起，其中因超负荷、短路等原因引起的电器火灾占到
2、了 30%以上，美国奥柏林大学的研究人员通过实验发现对能耗实施监控机制，能够使整个学校的学生宿舍在两周内减少 32%的电能损耗。英国牛津大学环境学院在 2006 年的一份调查报告中阐述了对家用电器用电状态进行实时监控的意义和必要性。 与此同时，物联网技术的提出被视为信息通信技术发展的重要里程碑，它利用通信技术，将家用电子设备进行集中的控制和管理，从而创造出高效、舒适、安全、居住环境。如何将物联网技术和家电的用电状态监控结合起来将成为安全用电、节能减排的一个新的切入点。在此基础上，本文提出了一款基于无线 ZIGBEE 技术的智能插座设计方案，该设备除了具有传统插座的功能外，还具有无线通信、电压电
3、流采集、电能计量、过压过流保护、自动开关、报警、休眠、信息显示以及组网等功能，是一款功能齐全的智能插座。 1.智能插座的系统构架 基于 zigbee 技术的无线智能插座硬件系统主要由电源模块、无线微控制器模块、电量采集单元、时钟模块、继电器控制单元、报警单元、键盘输入单元、显示单元等组成。系统框图如图 1 所示。 图 1 智能插座系统框图 电源模块将交流市电转换为直流电，为其余模块供电；电量采集模块包括电压采集和电流采集两部分，用于采集用电设备的能耗信息，本文利用电能计量芯片 ADE7755 实现。电压互感器和电流互感器用于对电压和电流信号进行采样， 并经由流/压变换电路转换为 ADE7755
4、 能够接收的信号，进而通过电能计量芯片的内部电路计算出电参数。微控制器采用带有 ZIGBEE 无线通信功能的 CC2430 芯片，既负责控制本节点的工作， 又负责和网络上的其他节点进行无线通信。CC2430 通过 IO 接口与ADE7755 芯片相连，读取测量的各种数据并进行运算处理，通过显示模块进行显示，同时还能通过内部的无线通信模块和其他节点之间进行数据的交换。 2.主要模块硬件电路设计 2.1 无线微控制器模块 CC2430 单片机是德州仪器（TI）公司生产的一款片上系统解决方案，它基于 IEEE 802.15.4 和 Zigbee 通信协议。片内外设非常丰富：在单个芯片上集成了 CPU
5、、存储器、常用片内外设和 RF 射频单元。它具有 1 个8 位 CPU（8051） ，具有最大 128KB 可编程 FLASH 和 8KB 的 SRAM， ，主要包括 1 个 5 通道 8 位至 14 位可编程 ADC 转换器、4 个定时器、2 个USART，1 个 DMA 控制器、1 个看门狗定时器、1 个内部稳压器、21 个可编程 I/O 引脚。CC2430 内部已集成了正常工作所必须的电路，因此用户仅需搭建少量的外围电路就能实现信号的发送和接收。 2.2 电量采集模块 ADE7755 是一种精度非常高的电量计量芯片，它通过内部电路对电压和电流直接相乘得到瞬时有功功率，再由瞬时有功功率计算
6、出平均有功功率。如图 2 所示，电压和电流信号分别经过两路 A/D 转换器，转换成的数字信号分别送入电流通道 V1N、V1P 以及电压通道 V2N、V2P。经过滤波后的电压信号和电流信号经过乘法器进行相乘运算，所得到的信号再经过一个低通滤波器滤掉交流分量，输出的直流分量即为瞬时有功功率。这一信号经过数频转换器转换成和平均有功功率成正比的低频信号，经过 F1 和 F2 端口输出，同时，从高频口 CF 输出与瞬时有功功率成正比的脉冲信号。ADE7755 电量采集电路如图 2 所示。 图 2ADE7755 电量采集电路 2.3 电源模块 稳定的电源是系统正常工作的保障。该智能插座系统用到的工作电压有
7、 5 V 和 3.3 V 两种，其中前者为电量采集模块、时钟模块、显示模块提供电源，后者为无线通信模块提供电源。电源电路如图 3 所示。 图 3 直流稳压电源电路 2.4 时钟模块 由于单片机内部定时器误差较大，因此本方案选用 Dallas 公司生产时钟芯片 DS1302，该芯片精度高、功耗低、运行可靠。DS1302 采用三总线与单片机进行通信，外接的晶振频率为 32.768 kHz，可以对年、月、日、时、分、秒、星期进行计数。 3、软件设计 本方案在软件设计上采用模块化结构，包括主控制器模块、信号采集和处理模块、键盘管理模块、LCD 信息显示模块、时钟模块和开关动作控制模块。插座上电后，系统
8、进行初始化，之后进行状态检测，即、电流、电压检测，功率计算、并将采集的结果显示在液晶屏上。当单片机得到电流信号或电压信号超过了正常工作的限定值时，控制器会立即通过蜂鸣器和 LCD 报警，并控制继电器切断负载所在的回路。当 DS1302 内部相关寄存器的值和用户的设定值相同时， ，单片机对继电器进行相应的控制插座将按照用户的设定值进行定时通断。报警控制单元的流程图如图 4 所示。 图 4 报警控制单元流程图 4.结束语 本文提出了基于 zigbee 无线通信技术的智能插座硬件设计方案和软件解决方案。该智能插座具有电量采集、智能监控、组网通信等功能，能够满足现代社会安全用电和节能降耗的需求，同时将
9、满足智能家居和物联网的发展需求。随着智能家居的迅速发展，智能插座将在人们的日常生活中发挥越来越广泛的作用。 （作者单位：石家庄职业技术学院电气与电子工程系） 河北省科技厅科技支撑课题 课题号：12210423 参考文献 1马红麟.新型遥控插座的设计与研究J.机电工程，2003， （5）：51- 52. 2姚文轩，滕召胜. 多功能智能插座设计J. 企业技术开发，2010， （6）：28- 30. 3徐伟，姜元建，王斌. ZigBee 技术在智能插座设计中的应用J.电力系统通信，2011， （32）：78- 81. 4芦宁.ZigBee 无线技术在智能家居中的应用D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006：43-50
