第３６卷第２期 南京师大学报（自然科学版） Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．２ ２０１３年６月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＮＡＮＪＩＮＧ ＮＯＲＭＡＬ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｊｕｎ，２０１３ 基于ＺｉｇＢｅｅ技术的电能检测系统设计 姚亚洲，吴 栋，韩 冰 （南京师范大学物理科学与技术学院，江苏南京２１００２３） ［摘要］ 为了实时集中监控各个家用电器用电耗能情况，设计了１套基于片上系统Ｚｉｇｂｅｅ技术的电能检测系 统．该系统采用ＣＣ２４３０搭建星型网络，并以ＴＩ公司的Ｚ—Ｓｔａｃｋ为基础进行软件设计．终端节点能实时检测家用 电器的用电信息，并通过Ｚｉｇｂｅｅ网络将数据发送给协调器节点，协调器节点通过ＲＳ２３２串口将数据传送到客户 端软件进行处理，实现了用户对各个家用电器耗能状况的集中检测，并可进一步进行管理． ［关键词］ 片上系统，Ｚｉｇｂｅｅ，ＣＣ２４３０，电能检测 ［中图分类号］ＴＭ９２５．０２；ＴＮ４；ＴＮ８［文献标志码］Ａ［文章编号］１００１－４６１６（２０１３）０２－００３９－０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ Ｐｏｗｅｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｙａｏ Ｙａｚｈｏｕ，Ｗｕ Ｄｏｎｇ，Ｈａｎ Ｂｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｍｉｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｐｏｗｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｚｉｇｂｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ’ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ＣＣ２４３０ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａ ｓｔａｒ－ｔｙｐｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｓ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＩ’Ｓ Ｚ－Ｓｔａｃｋ．Ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｎｏｄｅ ｃｏｕｌｄ ｄｅｔｅｃｔ ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ’ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｉｎ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ａｎｄ ｓｅｎｄ ｄａｔａ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ ｎｏｄｅ ｂｙ ｔｈｅ Ｚｉｇｂｅｅ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ ｎｏｄｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｄａｔａ ｔｏ ｔｈｅ ｃｌｉｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｏｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｖｉａ ｔｈｅ ＲＳ２３２ ｓｅｒｉａｌ ｐｏｒｔｓ．Ｕｓｅｒ ｃｏｕｌｄ ａｃｈｉｅｖｅ ａ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｆｕｒｔｈｅｒ ｍａｎ－ ａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｃｈｉｐ，Ｚｉｇｂｅｅ，ＣＣ２４３０，ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｐｏｗｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ 一方面家用电器电能检测需要较多的检测节点、较短传输延时和极低的功率消耗，另一方面家用电器 电能检测需要采集的数据量较少，对传输带宽要求不高，因此虽然ＧＰＳ／ＧＩＳ等无线公共网络技术具有传 输速度快、信息量大等优点，但是鉴于它们通信费用和能耗较高等缺点…，很难在家庭环境下进行应用 推广． Ｚｉｇｂｅｅ是一种基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的低功耗、低传输速率、架构简单的短距离无线通信技术，且 Ｚｉｇｂｅｅ协议是免专利费的，每个网络最多可支持２５５个设备，足够家庭环境的使用 Ｊ．有鉴于此，本文设计 了一套基于片上系统Ｚｉｇｂｅｅ技术的星形网络拓扑结构的电能检测系统，下面将分别从系统的硬件和软件 两个方面去说明设计思想和方法． １ 系统设计 １．１硬件系统设计 电能检测系统硬件部分主要包括两个方面内容：Ｚｉｇｂｅｅ终端节点和Ｚｉｇｂｅｅ协调器节点．终端节点主要 由电能检测模块、终端Ｚｉｇｂｅｅ模块、继电器模块和电源模块组成．协调器节点主要由协调器Ｚｉｇｂｅｅ模块、 电源模块和串口通讯模块组成．电能检测模块采用的是高精度电能测量集成电路ＡＤＥ７７５５．终端Ｚｉｇｂｅｅ 收稿日期：２０１２—０９—１２ 基金项目：南京易周能源科技有限公司提供资金． 通讯联系人：姚亚洲，硕士研究生．Ｅ—ｍａｉｌ：９６３０１３８７８＠ｑｑ．ｃｏｒｎ 一３９— 南京师大学报（自然科学版） 第３６卷第２期（２０１３年） 模块和协调器Ｚｉｇｂｅｅ模块采用的是结合了增强型８０５１ＣＰＵ内核和ＣＣ２４２０ＲＦ收发器的ＣＣ２４３０一Ｆ１２８处 理器．继电器模块采用的是通用５Ｖ电磁继电器．电源模块主要由可充电的锂电池和７８Ｌ０５芯片电路两部 分组成．串口通信模块采用的是ＭＡＸ３２３２芯片电路，系统硬件结构见图１． ：乒 Ｉ广———・］１ ：‘］／、 图１系统硬件结构图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ １．１．１ 电能检测模块 采用ＡＤＥ７７５５作为电能检测模块的核心芯片，其具有较高的性价比，在５００：１的动态范围内误差小 于０．１％ ，完全能够满足家庭环境下对计量精度的要求．它对来自电压和电流传感器的信号进行采样， 并产生电能计量脉冲ＣＦ以较高频率形式输出有功功率瞬时值，频率厂的计算公式为： ， （１） 式中， 、 分别为电流通道和电压通道输入端的差动电压值；Ｇ为电流通道的可编程放大器增益，其值为８； 为逻辑输入ｓ 、ｓ。设置的主频常数，其值为６．８ Ｈｚ； 为由逻辑输入ＳＣＦ、Ｓ。和Ｓ。共同设置的倍频系数， 其值为１６； 为片内基准电压，其值为２．５ Ｖ，脉冲信号通过光耦之后送给Ｚｉｇｂｅｅ模块进行电能计量． １．１．２终端Ｚｉｇｂｅｅ模块和协调器Ｚｉｇｂｅｅ模块 ＣＣ２４３０集成了高性能低功耗的８０５１微控制器内核和业界领先的ＣＣ２４２０无线电内核，片上资源丰 富、使得无论是处于协调器位置的网络节点，还是处于网络末梢的终端节点，其硬件结构都非常简单、可 靠、实用． 终端Ｚｉｇｂｅｅ模块和协调器Ｚｉｇｂｅｅ模块硬件结构基本一致，但是主要的功能不同：终端Ｚｉｇｂｅｅ模块对 电能检测模块发送过来的脉冲采取的是定时中断计数处理机制，即８位定时器３用于产生设定的定时时 间，１６位计数器１通道２用于对脉冲进行中断计数．根据电能检测模块参数的设置，采集过来的脉冲和电 量的转换关系为１个脉冲相当于０．０００ １２５ ＫＷｈ的电量；协调器Ｚｉｇｂｅｅ模块主要用于构建星形网络，收集 各个终端Ｚｉｇｂｅｅ模块采集的数据，与Ｐｃ端上位机软件进行通讯． ＣＣ２４３０具有两种外接时钟及４种工作模式的超低功耗特点，为了降低系统运行时的功耗，设计中采 用了睡眠／唤醒机制，正常情况下终端节点处于睡眠状态（３２．７６８ ｋＨｚ），只有当协调器节点与终端节点进 行通信时，终端节点才使用３２ ＭＨｚ晶振＿４］． １．１．３继电器模块 在终端节点加入了继电器模块，其通过光耦与Ｚｉｇｂｅｅ模块相连，用户可以通过Ｐｃ终端的软件操作实 现对无线网络中家用电器开或关． １．１．４ 电源模块 电能检测模块和继电器模块采用的是市电经过降压、稳压并经过７８Ｌ０５芯片转换过来的电源，在市电 断电的时候，电能检测模块和继电器模块并不需要工作，它们会自动地断掉，在市电供应正常的情况下，它 们会获得经市电转换过来的工作电源． 由于终端Ｚｉｇｂｅｅ模块即使在市电断掉的情况下也需要工作，所以终端节点采用的是锂电池进行供 电，在终端节点正常工作的情况下，一块锂电池充满电能够工作３个月左右的时间．锂电池采取的是自动 姚亚洲，等：基于ＺｉｇＢｅｅ技术的电能检测系统设计 充电机制，不需要人工进行干预，在Ｐ０＿ｏ口设置了自动检测锂电池电量电路，当锂电池电量低于设定的值 时，锂电池可以通过市电转换过来的电源进行自动充电处理，从而保证了终端节点的连续工作时间． 协调器节点处于整个星形无线网络中的核心环节，如果协调器节点不能够正常工作，那个整个网络也 将瘫痪 ］，所以协调器节点采取的是市电转换电源和锂电池双电源供电机制，在市电正常供应的情况下， 采用市电转换电源进行供电，当市电断电时锂电池能够进行供电，锂电池的充电也通过市电转换电源进 行，这在最大程度上保证了协调器节点的工作． １．１．５ 串口通信模块 为了实现系统能够与Ｐｃ机的上位机软件进行通讯，也为了系统将来能够和嵌人式网关模块进行通 讯，在协调器节点加入了ＵＡＲＴ串口通信模块，采用的核心芯片是ＭＡＸ３２３２． １．２软件系统的设计 软件系统主要包括３个方面的内容：终端节点模块软件、协调器节点模块软件和Ｐｃ端上位机软件． 其中终端节点模块软件和协调器节点模块软件是以ＴＩ公司开发的Ｚ—Ｓｔａｃｋ协议栈为基础进行设计开发 的，也是本系统的重点内容． Ｚ—Ｓｔａｃｋ协议栈整体架构由物理层（ＰＨＹ）、协议栈网络层（ＭＡＣ）、控制层（ＮＷＫ）、协议栈网络层安全 服务规范层（ＳＳＳ）、设备对象（ＺＤＯ）、应用支持子层（ＡＰＳ）和协议栈应用层（ＡＰＬ）层构成，各层之间通过 相互提供的接口进行通信．Ｚ—Ｓｔａｃｋ是利用操作系统的思想构建起来的 Ｊ，采用事件轮询机制 ．首先系 统对硬件进行初始化，随后对协议栈的各个层进行初始化，系统进入低功耗模式，当事件发生时唤醒系统， 开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式，如果同时有几个事件发生，则先判断优先级，逐次处 理事件 ］．ＰＣ机端上位机软件采用虚拟仪器图形化编程语言Ｌａｂｖｉｅｗ进行设计开发． １．２．１协调器节点软件设计 协调器节点软件设计的主要任务是：接收来自ＰＣ端上位机软件通过串口发送过来的指令，然后将指 令通过Ｒａｄｉｏ发送给终端节点执行；收集各终端节点采集的数据再通过串口发送给ＰＣ端上位机软件进行 处理 ，操作的流程如图２所示． １．２．２终端节点软件设计 终端节点软件设计的主要任务是接收协调器节点发送过来的操作指令，去执行电能计量或者继电器 的开关操作，然后将采集的数据通过Ｒａｄｉｏ发送给协调器节点，让其传送给Ｐｃ上位机软件进行处理，操作 的流程如图３所示． １．２．３ ＰＣ端软件设计 ＰＣ端软件开发环境为图形化编程语言Ｌａｂｖｉｅｗ ８．２【１０］，软件界面如图４显示． 通过ＰＣ端软件控制：可以即时的控制网络中节点电器的开关；能够即时的采集网络中各个节点电器 的用电信息；可以设定网络中节点电器的条件关闭：可以通过定时时问关闭；也可以通过设定用电量的多 少进行关闭． ２试验 本文提出了一种新的基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的电能检测系统，并且给出了系统硬件和软件的设计方案，目 前系统在实验室以额定功率为７５０Ｗ的饮水机作为电器进行测试，Ｐｃ端上位机软件监测到的数据如表１ 所示． 表１饮水机电能检测数据 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｏｆ ｄｒｉｎｋｉｎｇ ｆｏｕｎｔａｉｎｓ 经过实际的测试，系统所测得的数据和电器实际消耗的电量基本一致，具有较高的可靠性与实用性， 终端节点模块实物如图５所示． 一４ｌ一 １张苏宁，等：不同形貌ａ－Ｂｉ Ｏ，微晶的制备及其在可见光下的光催化性能 化降解罗丹明Ｂ的光催化活性最高． ［参考文献］ ｕｔｅ ｅｎｅｒｇｙ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｖ￣ｅｎｃｅ ｂａｎｄｓ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｍｉｎｅｒａｌｓ ［１］ Ｘｕ Ｙ，Ｓｃｈｏｏｎｅｎ Ｍ Ａ Ａ．Ｔｈｅ ａｂｓｏｌ［Ｊ］．Ａｍ Ｍｉｎｅｒａｌ，２０００，８５：５４３—５５６． ａ１．ＳｏｎｏｃｈｅｍｉｃＭ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ 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