基于Zigbee的實時能源監控和控制系統

孟洋

（長沙民政職業技術學院，湖南長沙 410004）

基于Zigbee的實時能源監控和控制系統

孟洋

（長沙民政職業技術學院，湖南長沙 410004）

提出一個基于Zigbee的能源管理系統，由兩個主要組件構成：無線傳感網絡和智能家居網關。通過智能家居網關，無線傳感器感知和傳輸電力數據，遠程監控和控制家用電器；通過網絡和移動設備，節能系統允許用戶監測和控制家用電器。

家居網絡；能源管理；監控；Zigbee

1.引言

在工業以及住宅領域，能源效率問題變得越來越重要。日常生活中，若整合傳感器、執行器、計算設備等，對提高能源效率方面有很大的潛力。然而，由于計算設備的復雜性和多樣性，節能與計算集成仍處于起步階段，將每個新設備添加到系統中還需要大量的工作。需要集成哪些設備，智能家居開發人員需要配置和設置接口，然后將設備連接和集成起來，而實現能源效率不僅僅是連接設備。智能家居環境利用無線傳感器網絡平臺，整合眾多不同的設備，這些設備應配合其他設備，獨立為用戶提供智能服務。同時，信息在各種不同設備中必須共享和連接，以構建有效的智能服務。因計算設備制造商使用許多不同的通信協議，因此，家用電器(白色家電)的集成和消費電子產品不是簡單整合到傳感器網絡平臺。此外，除了集成的技術難題，由于系統的復雜性，用戶通常不能完全理解系統。充分利用智能家居技術，能源管理系統應該透明集成所有家用電器，并提供所有重要的信息，為用戶提供能源節約和方便。為此，我們提出使用基于Zigbee的傳感器網絡的能源管理系統和智能家居網關。該系統不斷感知和更新電力數據，為用戶提供實時電量信息，用戶可以遠程監視和控制家用電器。

2.研究現狀

早在2008年美國西太平洋國家能源實驗室提出的“電網友好”技術[1]，包括電網友好的頻率響應、電壓響應和價格響應技術，應用該技術來建設智能電網的技術應用在家居控制裝置和自動控制家居用能的管理系統。住宅智能電網和電力管理家居網絡[2,3,4]使用電力和通訊網絡[5]，智能電網測量和遠程讀取智能電表，它提供了實時或接近實時的信息消費數據。然而，在智能電網的智能計量中，大多數的系統和項目只是專注于測量能源消耗的總量，提供通信基礎設施數據。如果能夠測量或監控每個家居設備的用電量，并提供更好的智能服務，如跟蹤能耗、統計分析和基于規則的配置，在家居網絡領域，使用傳感器網絡，收集能源消耗的數據，使用多個系統監測和控制功耗，那么我們的重點是設計和實現能源計量和控制系統。本文提出的系統包括能源管理和控制服務，系統集中部署無線傳感器網絡、實施能源管理和控制，并把智能家居服務作為原型服務。

3.能源監測和控制系統設計

3.1 相關理論

圖1顯示了基于Zigbee的實時能源監控和控制系統的概念和電力能源管理系統的一個通用框架。

圖1 (a)系統的概念 (b)總體系統架構

ZigBee通信協議是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信協議[6]。工作在2.4GHz的ISM頻段上。家居網絡可以用傳統的有線和無線通信接口(如以太網)，如IEEE 1394，wi-fi，PLC(電力線通信)和藍牙。因無線網絡接口容易部署和安裝，是通信的首選。此外，相比其他協議，Zigbee有最大數量的單元節點。例如，藍牙單元節點的最大數量只有8節點，而Zigbee可多達65000個節點[7]。

3.2 架構設計

該系統包括三個技術組件，即信息采集、信息處理和信息展示，如圖1所示(b)。

信息采集模塊為無線傳感器系統。無線傳感器系統主要有三個部分：控制器與ADC(模數轉換器)、Zigbee收發器和傳感單元。無線傳感器用來測量交流和控制電源插座，這些傳感器獨立于家用電器或電子產品，還要在傳統的電源插座和電子產品之間設計額外的傳感器，為開關控制和提供有限的服務。

信息處理模塊采用Zigbee通信協議，傳感器測量電子產品(如家用電器)的實際功耗，并傳輸這些信息。信息處理模塊接收到的功耗信息和開/關狀態，并將它們存儲到一個數據庫中，響應用戶的請求和能耗監測信息。

信息展示模塊應用智能交互終端技術。家庭智能用電服務的關鍵設備，通過利用先進的信息通信技術，對家庭用電設備進行統一監控與管理，對家庭用電信息等數據進行采集和分析，指導用戶進行合理用電。

無線傳感器網絡采用星形拓撲構造，數據處理模塊通過Zigbee通信接口從每個傳感器接收電力消耗的信息,然后將這些信息存儲在一個數據庫中,并響應來自用戶的請求。web服務器接收用戶的服務請求和傳送請求到子模塊組件。系統的最終目標是為用戶提供智能服務，如跟蹤能耗、價格比較、統計分析，基于規則的配置，所有這些服務可以在這個模塊中實現。系統原型有兩個應用程序或服務，監測電力消耗和遠程開/關控制，如果設備消耗的電能比往常不一樣，它可以給用戶一個警報，通過遠程開/關服務，用戶可以打開和關閉家用電器。

3.3 系統實現

無線傳感器有三個技術組件，單片機(微控制器單元)與ADC，傳感單元和Zigbee收發器。傳感器是傳感網的最重要的部分，傳感器ACS712用來測量交流。測試了100瓦特到1000瓦特的傳感器負載，在這個測試中，假設功率因數為1，SMPS(開關模式電源)供電集成，這意味著它不需要直流電池，包括一個繼電器遠程開/關控制、一個Zigbee與USB接口連接到電腦，這是一個智能家居網關。應用程序獨立于操作系統，用Java實現。傳入的數據包括每個傳感器設備的實際狀態、功耗和一個獨特的傳感器ID。將接收的數據存儲到SQL數據庫中，供以后在網絡接口或移動應用程序中使用。在程序上實現了Java VM(虛擬機)系統，我們將基于OSGi(Open Service Gateway Initiative，面向Java的動態模型系統)的中間件集成到的系統。作為一個原型系統，實現兩種服務，監控和遠程開/關控制，用戶可以從網絡接口或移動應用程序打開/關閉設備。

4.結論

居家或建筑的電力消費首先要考慮的是節能，監測和控制能源消耗采用替代能源和普遍的技術能減少能源需求。反饋能源消耗和控制家用電器，可以激勵和鼓勵用戶改變他們的能源使用行為，如關燈或減少熱量，這些小的行為的改變會帶來顯著的能源節省。運用系統，用戶可以通過網絡遠程控制實時用電和其他移動設備，如智能手機。未來的工作將集中在擴大當前系統，包括以下功能:家電自動檢測，電器的自動識別和檢測設備的位置對開發高效的能源管理系統很重要，自動檢測設備可以提供簡單、可用的服務和設備的位置信息；基于電力消耗的數據，可以用來推斷用戶的當前或未來的行為。

[1]劉振亞.智能電網技術[M].北京：中國電力出版社，2010.9.

[2]B.Botte,V.Cannatelli，and S.Rogai.The Telegestore project in Enel’s metering system[M].In Proc.Int.Conf.on Electricity Distribution(CIRED)，2005.

[3]Korea Smart Grid Institute[EB/OL].http://www.smartgrid.or.kr， 2014-06-12.

[4]MeRegi.http://www.im.uni-karlsruhe.de/Default.aspx?PageId= 470&lang=en,2014-06-18.

[5]European Commision:Eoruopean Smart Grids Technology Platform.European Communities,2006.

[6]Kinney P.ZigBee technology：wireless control that simply works [EB/OL].http://www.hometoys.com/htinews/oct03/articles/kinney/zig bee.Htm,2004-08-30.

[7]J.Lee，Y.Su，and C.Shen.A Comparative Study of Wireless Protocols[C].Blutooth,UWB,ZigBee,and Wi-Fi.The 33rd annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society(IECON),Nov. 5-8(2007).

TP277

A

1671-5136(2014)04-0127-02

2014-09-22

孟洋，女，長沙民政職業技術學院電子信息工程學院教師。