朱鹍
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:高校宿舍樓用電是校園電能消耗的重要組成部分,學(xué)生在追求宿舍舒適環(huán)境的同時也造成了電能浪費的現(xiàn)象。宿舍內(nèi)大功率設(shè)備的使用,宿舍內(nèi)“無人燈”“無人風(fēng)扇”等現(xiàn)象的存在,宿舍內(nèi)空調(diào)溫度過低或過高現(xiàn)象,都使得宿舍樓用電過度出現(xiàn)用電浪費現(xiàn)象,尤其是大功率設(shè)備的使用也會使得宿舍出現(xiàn)一定的安全隱患。本文介紹了基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下,通過終端節(jié)點采集宿舍內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)宿舍樓內(nèi)宿舍樓用電的智能控制,達到節(jié)約電能及消除用電安全隱患的目的。
關(guān)鍵詞:ZigBee技術(shù);傳感器;智能控制
0引言
通過對高校宿舍用電情況分析發(fā)現(xiàn),宿舍內(nèi)用電比例在高校電能能耗中的比例有所提高。在生活水平提高的同時,高校學(xué)生在校用電行為也在發(fā)生著悄然改變。據(jù)調(diào)查高校學(xué)生在用電行為方面存在以下問題:用電行為遵從方便和舒適原則;使用大功率用電設(shè)備現(xiàn)象十分嚴重;個體較少購買節(jié)能、節(jié)電產(chǎn)品;宿舍成員間無明顯的制止用電浪費行為。如何能有效地促進高校宿舍用電節(jié)能,各高校也在采取各種措施應(yīng)對。高校除了從行為規(guī)范方面進行管理之外,還可以從技術(shù)控制方面進行管理。目前普通高校一般采用分時段控制管理宿舍用電,在上課時間段關(guān)閉整個宿舍照明用電,在晚上六點以后開啟宿舍用電。這種方式給學(xué)生在宿舍用電造成了一定的限制。照明線路的控制主要可以分為有線控制和無線控制,照明線路的有線控制控制簡單,但布線復(fù)雜;基于無線通信技術(shù)的照明控制系統(tǒng)布線簡單,可擴展性強。目前室內(nèi)通信比較主流的技術(shù)有藍牙、ZigBee技術(shù)、WiFi技術(shù)等。因此我們可以利用這些通信技術(shù),對宿舍樓內(nèi)各房間用電照明進行遠程監(jiān)控和管理。本文將介紹基于ZigBee技術(shù)的組網(wǎng)設(shè)計,將宿舍內(nèi)各方面照明用電系統(tǒng)進行組網(wǎng),并通過WiFi技術(shù)與PC機端相連,從而可以實現(xiàn)對整個宿舍樓各個照明節(jié)點的遠程協(xié)助控制。
1系統(tǒng)控制的整體方案設(shè)計
1.1手動控制模式
為了便于檢修,宿舍回路的通斷采用了自動及手動控制兩種方式,通過電氣柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)進行切換,如圖1所示,當QF閉合情況下,轉(zhuǎn)換開關(guān)的觸點2接通時,宿舍內(nèi)照明的通斷主要由手動開關(guān)S控制。手動控制立于自動控制,這便于物業(yè)管理人員對回路進行檢修。
1.2自動控制模式
當轉(zhuǎn)換開關(guān)的觸點3接通時,宿舍用電回路處于自動狀態(tài)。自動控制在控制方面可以設(shè)計為無線控制與時間控制共同控制,當無線控制出現(xiàn)故障是,可以采用時間控制進行自動控制??刂齐娐啡鐖D2所示。
圖1手自動控制電路
圖2控制電路
為了**控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,無線控制與時間控制采用互鎖控制方式,KA3是ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中控制節(jié)點控制的繼電器常開觸點,KA4是時間控制器的常開觸點,當宿舍內(nèi)光線較暗,控制節(jié)點接收到動作信號時,KA3常開觸點閉合,對應(yīng)的主電路控制器KM1主觸頭就閉合,照明回路通電;當現(xiàn)場光線達到照明要求,KA3常開觸點沒有吸合,照明回路處于斷開狀態(tài)。如果現(xiàn)場使用過程中,無線控制出現(xiàn)故障,時間控制器則可以實現(xiàn)對照明回路的控制,整體系統(tǒng)設(shè)計是由上位機和ZigBee建立的無線網(wǎng)絡(luò)組成,宿舍管理人員可以通過上位機的交互界面對ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行組建及宿舍內(nèi)照明及插座用電的智能控制。ZigBee當經(jīng)緯度控制器控制的常開觸點KA4閉合時,對應(yīng)的主電路接觸器KM2主觸頭閉合,照明回路通電,并且由于KA3和KA4常閉觸點的串接,使得無線控制與經(jīng)緯度時間控制實現(xiàn)了互鎖的功能,**在無線網(wǎng)絡(luò)控制發(fā)生故障時,照明回路依然能實現(xiàn)自動控制。
1.3無線網(wǎng)路控制整體設(shè)計方案
目前無線網(wǎng)路傳輸技術(shù)有很多種,而ZigBee技術(shù)以低功耗、低成本、通信時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸數(shù)據(jù)可靠、安全性高等多方面優(yōu)勢,在短距離無線網(wǎng)路傳輸中占據(jù)越來越強的優(yōu)勢。常用的藍牙、WiFi、ZigBee技術(shù)比較如表1所示。
表1近距離無線通信技術(shù)比較表
從表1中可以看出,ZigBee技術(shù)可以組建一個具有65535個可以互相通信的無線數(shù)傳模塊網(wǎng)路平臺,ZigBee技術(shù)的聯(lián)網(wǎng)時間為30ms,而設(shè)備的休眠激活時延達到了15ms,ZigBee功耗低,其**功率為毫瓦級別,兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,ZigBee技術(shù)傳輸距離可以在10-75m的范圍內(nèi)。ZigBee技術(shù)工作在2.4GHz(**流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,ZigBee模塊的成本優(yōu)勢也逐漸凸顯,綜上所述,ZigBee技術(shù)是比較適合于宿舍內(nèi)照明無線網(wǎng)絡(luò)的智能控制。宿舍樓用電無線智能控制整體系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。
圖3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
無線網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee技術(shù)協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點及終端節(jié)點構(gòu)成。其中ZigBee協(xié)調(diào)器負責(zé)整個網(wǎng)路的建立、監(jiān)管和維護,與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸,將從采集到的信息數(shù)據(jù)通過串口與上位機通信,并向下傳達監(jiān)控命令,從而達到建立及監(jiān)控整個網(wǎng)路的目的。整個無線網(wǎng)絡(luò)采用樹形結(jié)構(gòu),中間路由器節(jié)點起到數(shù)據(jù)信號中間傳遞作用,根據(jù)需要每層樓都會設(shè)置幾臺中間路由器,終端節(jié)點可以與協(xié)調(diào)器之間通信,但是當終端節(jié)點與協(xié)調(diào)之間的距離出兩者的通訊距離時,路由器可充當中繼作用,進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。而且終端節(jié)點之間是沒有辦法實現(xiàn)通信功能。終端節(jié)點可以通過傳感器對宿舍周圍環(huán)境光線進行檢測,當宿舍內(nèi)沒有人員活動時自動關(guān)閉照明系統(tǒng),但是當晚間到達規(guī)定時間時,時間經(jīng)緯控制會自動切換到手動控制模式,宿舍內(nèi)照明燈的控制可以實現(xiàn)手動控制。對于宿舍內(nèi)大功率設(shè)備的使用,電流傳感器將大電流信號傳遞給ZigBee的終端設(shè)備,上位機及宿舍內(nèi)都會出現(xiàn)報警信號,對管理人員及宿舍人員起到提醒和控制的目的。
2硬件設(shè)計
ZigBee無線傳感器系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要是協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點及終端節(jié)點三部分,系統(tǒng)節(jié)點硬件芯片主要采用的是CC2530作為**芯片進行開發(fā)。CC2530是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的單芯片解決方案,經(jīng)濟而且功耗低,是目前ZigBee技術(shù)開發(fā)的主流芯片,應(yīng)用廣泛。CC2530芯片有四種不同的版本,CC2530-F32/64/128/256,這是指分包帶有32/64/128/256的閃存空間,芯片整合了全集成的射頻收發(fā)機及業(yè)界標準的增強型8051微控制器,8-KB的RAM和其他強大的支持功能和外設(shè)。CC2530芯片具有不同的運行模式,尤其是適應(yīng)低功耗的系統(tǒng),運行模式之間轉(zhuǎn)換時間短。在掉電模式下,只有睡眠定時運行時,僅有不到1μA的電流損耗,而且具有強大的地址識別和數(shù)據(jù)包處理引擎。
2.1協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計
協(xié)調(diào)器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中起到至關(guān)重要的作用,因此在整個網(wǎng)絡(luò)中也只有一個協(xié)調(diào)器。它的主要工作就是組建自己的網(wǎng)絡(luò)。上電激活協(xié)調(diào)器后,它會自動進行搜索,當組建網(wǎng)絡(luò)之后,協(xié)調(diào)器的作用便會弱化,起到和路由器相同的作用。本系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器可以設(shè)置在宿舍管理員的控制室內(nèi),便于將信息從協(xié)調(diào)器傳輸至上位機,便于管理人員對宿舍用電的交互管理和維護。CC2530有兩個串行通信接口USART0和USART1,可以利用這兩個串口實現(xiàn)協(xié)調(diào)器與PC機的通信。網(wǎng)路中路由器在網(wǎng)絡(luò)中具有組織網(wǎng)絡(luò)、自我修復(fù)網(wǎng)絡(luò)等作用,當然也具備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和子節(jié)點進行通訊的功能。在宿舍樓內(nèi),可以根據(jù)每層樓宿舍個數(shù)設(shè)置路由器節(jié)點,使得整棟宿舍樓都能在無線網(wǎng)絡(luò)中。
2.2終端節(jié)點的硬件設(shè)計
終端設(shè)備節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)中就是**部分,也是ZigBee技術(shù)實現(xiàn)低功耗特點的**部分,在工作時可以在激活狀態(tài)和睡眠狀態(tài)進行切換。終端設(shè)備節(jié)點主要通過采集各種傳感器數(shù)據(jù)對繼電器進行控制等作用。本系統(tǒng)的終端節(jié)點可以分為傳感器和控制兩部分,要實現(xiàn)宿舍內(nèi)照明的自動開啟和關(guān)閉,選用了HC-SR501人體傳感器、光電傳感模塊(如BH1750FV1)實現(xiàn)對光線及人員流動性的檢測,實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集,插座回路部分通過霍爾傳感器實現(xiàn)對回路電流數(shù)據(jù)的采集;控制部分主要是繼電器控制模塊,CC2530芯片可以通過輸出端口實現(xiàn)相關(guān)繼電器的控制。終端節(jié)點硬件設(shè)計框圖如圖4所示。
圖4終端節(jié)點硬件框圖
在電源供電部分,可以采用HLK-PM01集成電源模塊和用AMS1117-3.3作為電源供電,其中HLK-PM01集成電源模塊是智能家居中AC-DC轉(zhuǎn)換開關(guān),它可以將220V交流電轉(zhuǎn)為5V穩(wěn)壓直流電,為傳感器等模塊進行供電,電路圖如圖5(a)所示,其中在電源模塊輸出端需要并濾波電容(10μF和0.1μF)。可以采用AMS1117-3.3模塊對**模塊CC2530進行供電,這是一款優(yōu)秀的DC-DC模塊,它可以將HLK-PM01集成電源模塊輸出的5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V直流電,并且確保電源輸出的穩(wěn)定性。AMS1117-3.3電路如圖5(b)所示。
圖5電源模塊電路圖
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件設(shè)計是在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上進行的,它是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計可以基于TI公司開發(fā)的Z-stack協(xié)議棧作為開發(fā)模板。TI的Z-stack裝載在一個基于IAR開發(fā)環(huán)境的工程里,強大的IAREmbeddedWorkbench除了提供編譯下載功能外,還可以結(jié)合編程器進行單步跟蹤調(diào)試和監(jiān)測片上寄存器、Flash數(shù)據(jù)等。Z-Stack是采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建,事件發(fā)生時,喚醒系統(tǒng),開始進入終端處理事件,結(jié)束后進入低功耗模式,此種軟件構(gòu)架可以降低系統(tǒng)的功耗。整個Z-stack的主要工作流程,大致可以分為系統(tǒng)啟動、驅(qū)動初始化、OSAL初始化和啟動,進入任務(wù)循環(huán)幾個階段。系統(tǒng)上電后,通過執(zhí)行ZMain文件夾中的ZMain.C的ZSEGintmain()函數(shù)實現(xiàn)硬件的初始化,OSAL是協(xié)議棧的**,Z-Stack的任何一個子系統(tǒng)都作為OSAL的一個任務(wù),因此在開發(fā)應(yīng)用層的時候,通過創(chuàng)建OSAL任務(wù)來運行應(yīng)用程序。本系統(tǒng)主要由主程序、時鐘控制程序、傳感器采集程序、ZigBee通信程序、負載過大報警程序、機房管理程序、終端控制程序等幾部分構(gòu)成。主程序流程圖如圖6所示,設(shè)備上電初始化后并完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建。
圖6主程序流程圖
根據(jù)時鐘程序判斷時間段,在熄燈期間,照明燈處于關(guān)閉狀態(tài),白天時宿舍內(nèi)的照明實現(xiàn)自動控制,同時終端傳感器設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)傳輸至控制中心的PC機內(nèi),實現(xiàn)宿舍管理員對宿舍內(nèi)用電情況觀測,并進行遠程監(jiān)控的功能。當宿舍內(nèi)使用大負載的用電設(shè)備時,宿舍發(fā)出警報的同時上位機上也對此進行記錄,報警10S后,判斷大功率用電設(shè)備是否取消,如果繼續(xù)使用,則對宿舍插座回路進行斷電,同時在PC機上對該宿舍內(nèi)用電情況進行記錄。
4安科瑞AcrelCloud-3200預(yù)付費水電云平臺
4.1系統(tǒng)方案
系統(tǒng)為B/S架構(gòu),主要包括**管理網(wǎng)站和后臺集抄服務(wù),配合公司的預(yù)付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列,實現(xiàn)電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費系統(tǒng),達到先交費后用水的目的,剩余水量用完自動關(guān)閥。
4.2系統(tǒng)功能
AcrelCloud-3200預(yù)付費水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費電能表組成,通過通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報警等功能。
本系統(tǒng)適用于一些大集團和大物業(yè),往往需要將多個物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費和管理,面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸,財務(wù)操作分散,在線支付,總部財務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。
遠程集中抄表:抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實時上傳到云平臺,便捷,免去人工抄表。
水表預(yù)付費:可是查看某區(qū)域水表的實時狀態(tài)信息,并可以進行單表或批量設(shè)置水價控閥等操作。
遠程售電:財務(wù)集中管理,電量實時下發(fā),并比對充值次數(shù),方便快捷。
能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)付費表或管控表每天的用能狀況;可提供能耗分析+財務(wù)軌跡一體式綜合管理報表,包含用戶表的能耗、財務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。
在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現(xiàn)在線自助充值水電費,也可以實時關(guān)注商鋪用水用電情況。
短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒,都可及時短信通知商戶。
遠程控制:可對任意一塊電表執(zhí)行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作,方便管理。
4.3產(chǎn)品選型
5結(jié)束語
本文介紹了基于ZigBee技術(shù)的宿舍樓用電智能控制,在硬件及軟件方面提出了設(shè)計設(shè)想,采用人體紅外傳感器、光電傳感器、電流傳感器等對宿舍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行采集,在規(guī)定的時間段內(nèi)實現(xiàn)照明燈的自動控制,同時對宿舍內(nèi)大功率設(shè)備使用情況進行檢測,通過ZigBee技術(shù)對出現(xiàn)負荷運行情況進行自動斷電與遠程控制。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,以及學(xué)生對宿舍環(huán)境要求的不斷提高,ZigBee技術(shù)還可以用于宿舍內(nèi)照明光線的自動調(diào)節(jié)、空調(diào)溫度的自動調(diào)節(jié)等各個方面,宿舍樓在達到節(jié)約能源目的的同時,也為學(xué)生們創(chuàng)造了加美好舒適的生活環(huán)境。
【參考文獻】
【1】陳濱掖.基于ZigBee技術(shù)的高校宿舍樓用電控制探討
【2】顧金土,謝花.某高校大學(xué)生宿舍用電狀況的現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J].電力需求側(cè)管理,2015,17(2):32-34.
【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06
作者簡介:朱鹍,女,就職于安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為企業(yè)能源管控
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浙江萬華建設(shè)有限公司(路林市場)能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用
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基于無源無線測溫裝置在環(huán)網(wǎng)柜中的應(yīng)用探討
摘 要:無源無線測溫裝置在當前環(huán)網(wǎng)柜的實際運行過程中發(fā)揮著積作用,其能夠準確出相關(guān)設(shè)備的實際溫度,為科學(xué)處理環(huán)網(wǎng)柜運行中的故障問題提供支持。本文主要從無源無線測溫裝置在環(huán)網(wǎng)柜中的作用分析入手,介紹了無源無線測溫裝置的原理和設(shè)計路徑,并提出了一些科學(xué)有效的應(yīng)用策略,為保證環(huán)網(wǎng)柜的實際運行效果,提升配電網(wǎng)運行系統(tǒng)的整體穩(wěn)定提供一定界借鑒和參考。關(guān)鍵詞:無線測溫;電氣設(shè)備;在線監(jiān)測
電力監(jiān)控系統(tǒng)在中國移動松原分公司配電系統(tǒng)中的應(yīng)用
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安科瑞ARCM 300-T20 20路測溫485通訊過溫報警斷開斷路器
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