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隨著社會經濟水平的提高，建筑能耗已經呈現持續迅速增長的趨勢，加劇了我國能源資源供應與經濟社會發展的矛盾。降低建筑能源消耗，大力倡導建筑節能，對于促進能源資源的節約和合理利用、緩解我國的能源資源供應與經濟社會發展的矛盾，有著十分重要的作用。因此，如何降低建筑能源消耗、提高能源最終利用效率、實施和倡導建筑節能，是我國可持續發展亟需解決的重大課題。據中國建筑節能發展報告得知：我國建筑能源消耗占生產總能源消耗的18.8%，隨著我國經濟和科技的迅猛發展，國家機關辦公建筑和大型公共建筑高能耗的問題日益突出。目前，我國每年竣工建筑總面積約為20億m2，其中公共建筑占有較高的比重，約有4億m2。2萬m2以上的城鎮公共建筑面積占城鎮總建筑面積的比例不到4%，但是其能耗卻占到總體建筑能源消耗的20%以上，其中單位面積能源消耗更是普通居民住宅的10~15倍。我國的用電電器智能控制技術是建設高效智能電網的重要組成環節，其核心就是實現智能化運行，滿足用戶多元化的需求，實現電力供應的穩定可靠和經濟安全，構建電網與用戶之間信息流、電力流實時互動的新型供電關系。改變用戶傳統節能方式，促進節能減排。因此，智能用電建設的質量直接關系到電網的能源使用效率、穩定經濟運行和有序合理用電[1]。

1系統的總體設計

1.1系統總體結構辦公樓宇用電信息采集與節能控制系統是一套基于互聯網的建筑智能用電監測控制系統。其中，設在電力部門的建筑智能用電及能源優化監控中心，通過互聯網連接的方式對所管理的大廈進行用電電器在線監測及能源調度信息的監測，并可以對權限內的用電電器進行完全控制(可深入到房間內部具體的燈具開關等)。整個系統的框架是一個Internet網，每一座樓宇都有一個樓宇監控中心計算機，負責整個樓宇的用電信息監測和相關設備控制，每個中心計算機都是通過路由器與外部的Internet網相連，并與總的監控中心進行交互信息，從而配合監控中心實現各項監測和控制功能[2]。系統的網絡結構如圖1所示。

1.2系統組成樓宇內部是一個以局域網、ZigBee、CAN、WiFi為主要通信方式的立體網絡結構。樓宇內部的系統組成部分有：樓宇智能用電及能源優化監控中心、數據服務器、樓層多媒體網關、房間控制器、智能傳感器(安防、溫度、濕度、光照、電量等)、智能照明系統、智能電器系統(空調、窗簾、插座等)、熱水優化控制系統、電能優化控制系統、熱能優化控制系統[3]。樓宇的電器用電及能源優化的系統結構如圖2所示。監控中心計算機通過局域網與樓層多媒體網關、熱水優化控制系統、電能優化控制系統、熱能優化控制系統進行信息傳輸，立體網絡可通過交換機進一步擴展。在每一樓層設有一個樓層多媒體網關，它由無線路由器和一個樓層網關組成。無線路由器主要負責WiFi攝像頭的視頻接入，并可以通過LAN上傳監控視頻；樓層網關的功能是通過ZigBee通信將每個房間的信息收集起來，再通過LAN上傳；也可以將來自于LAN的信息和命令通過ZigBee通信透過房間控制器傳遞給房間的受控設備，以實現用電設備控制和信息采集[4]。

2電器控制模塊設計

2.1總體設計本設計是基于ZigBee、以MSP430單片機系列(本文是選用MSP430F149)作為最小系統的電器控制模塊設計的主芯片，該系統包括：1）智能開關模塊。觸摸智能控制燈具的開關，可實現電量測量；可通過ZigBee對燈具實時控制；可通過ZigBee對電量、燈具狀態進行讀取。組成智能開關的模塊有MOC3041光電耦合器。光耦合器的主要優點是：輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，使用壽命長，單向傳輸信號，抗干擾能力強，傳輸效率高。它被廣泛用于級間隔離、電平轉換、遠程信號傳輸、信號隔離、開關電路、脈沖放大、固態繼電器(solidstaterelay，SSR)、儀表儀器、通信裝置及微型計算機接口中。2）智能調光開關模塊。調光模塊可以通過ZigBee對燈光進行亮度的控制，用一個雙向可控硅調光電路實現，具體包括：可控硅、功率調整電阻、濾波網絡、觸發電路、電位器和溫度保險絲[5]。3）智能遙控器。可通過ZigBee對房間內的燈具、電氣設備、插座實施控制；可實現簡單的自定義組合場景控制，如全開、全關、影視模式等；電池供電、可移動控制。智能遙控器最主要的組成部分是智能紅外技術，包括：①紅外接收模塊：一體化紅外接收頭1838T沒有收到紅外信號時，1838T為高電平輸出，當收到紅外信號時，輸出為低電平與高電平交替的脈沖。②紅外發射模塊：二極管和電阻電源組成二極管與門電路，發光二極管作為紅外發射管。③數據存儲模塊：選取的Flash存儲器為SST25VF016B，其為16MbitSPISerialFlash，它在單電源2.7~3.6V下可進行讀、寫和擦除操作。

2.2MSP430F149最小系統TI(德州儀器)公司的MSP430系列微處理器，是一種16位超低功耗的混合信號處理器，可以用電池供電長時間工作。它將許多外設模擬電路和常用的數字模塊集成在芯片內部。通常對于一般實際應用單芯片就可以滿足要求，這樣可以有效降低外圍電路的復雜性，節約PCB板的空間，提高系統的穩定性。MSP430系列單片機的迅速發展和應用范圍的不斷擴大，將其用于便攜式測量設備中，可以延長電池壽命[6]。MSP430F149的(centralprocessingunit，CPU)主要包括以下模塊：基礎時鐘、Timer_A、Timer_B、12位A/D轉換器、6個8位并行端口(其中P1、P2具有中斷功能)、模擬比較器COMPARATOR_A、看門狗定時器、2通道串行通信接口(通過軟件選擇UART/SPI模式)、1個硬件乘法器、1個Flash以及2KB的RAM。MSP430F149微處理器最小系統的電路如圖4所示。所示電路中，XIN和XOUT之間的低速晶體采用32768Hz的手表晶體，X2IN和X2OUT之間采用8MHz的高速晶體。

2.3ZigBee紅外轉發模塊設計紅外轉發器的功能決定了它主要由主控模塊、紅外接收模塊、紅外發射模塊和數據存儲模塊四部分組成。紅外轉發模塊的系統框圖如圖5所示。ZigBee無線傳輸選用的芯片是CC2530芯片，設計的電路原理圖如圖6所示。CC2530全部引腳可分為電源線引腳、I/O端口線引腳和控制線引腳三類。I/O端口線引腳功能為：CC2530有21個可編程的I/O口引腳，P2口只有5個可使用的位，P0、P1口是完全的8位口。通過編程設定一組SFR寄存器的位和字節，可使這些引腳作為通常的I/0口或作為連接ADC、計時器或USART部件的外圍設備I/O口使用。紅外接收電路如圖7所示。一體化紅外接收頭1838T共有3個引腳：供電腳，接地和信號輸出腳。因為1838T內部放大器的增益很大，很容易引起干擾，因此在供電腳上加上濾波電容C5。信號輸出腳接到CC2530的P0_6引腳，P0_6為定時器1、通道4的捕獲/比較引腳，這里使用的是捕獲功能，用來捕獲紅外信號。沒有接收到紅外信號時，1838T為高電平輸出，當接收到紅外信號時，輸出為高電平與低電平組成的脈沖信號。紅外發射電路如圖8所示。D4、D5、R4和VCC構成二極管與門電路，LED1為紅外發射管。CCP1接CC2530的P0_4引腳，用來輸入對家電的控制(如空調開)所對應的編碼信號，CCP2接CC2530的P1_4引腳，用來輸入紅外發射所需的38kHz的載波信號。當CCP1和CCP2同時為高電平時，三極管導通，紅外發射管發射紅外信號；CCP1和CCP2有一個為低電平三極管就截止。當三極管導通時，正確選取R4和R5的阻值，使其工作在飽和狀態，此時紅外發射管的發射功率最大。

2.4智能燈光墻面開關設計無線智能開關可以直接代替家中的普通開關，通過它不僅可以像普通開關一樣使用，更重要的是它可以通過ZigBee模塊和建筑中的其他無線設備自動組成一個無線控制網絡。無線智能開關中的照明控制電路采用光耦控制雙向可控硅的控制電路[7]。從使用年限和開關速度上分析，選用晶閘管BTA16作為控制電路中的的主要器件。斷開狀態下BTA16器件的峰值電壓最大為600V，通態狀態下的通態電流為16A；當BTA16導通時，其維持電流約為40mA，關閉電流約為20mA，且電流上升速率最大為50A/µs，電壓上升速率為250V/µs。其優越的特性非常適合用于變頻電路、開關電路和調溫電路等。為實現BTA16器件控制強電的目的，必須考慮到電路中強弱電之間的電氣隔離問題。光耦既能滿足解決控制信號的傳輸問題，同時也能解決電氣隔斷問題。光耦內部通過傳輸光的特性進行隔離輸入側與輸出側之間的高壓；光耦不僅能傳輸直流信號，還能傳輸交流信號，同時輸出側具有一定的電流輸出能力。無線智能開關中光耦采用MOC3041光耦芯片，此芯片輸入端驅動電流為15mA，在微處理器輸出端采用兩級電流驅動電路，確保控制信號能夠穩定輸出。如開關電路如圖9所示。

3節點通信程序設計

無線傳感器節點在上電完成程序初始化以后，向網關設備發送登錄請求，網關回復節點的登錄請求并分配相應的網絡地址，地址從01開始分配，隨后節點進入等待同步的狀態。當收到網關發送的同步幀后，節點進入傳感器數據采集和處理狀態，在完成傳感器的數據采集和處理后，將數據進行打包封裝，如果節點地址等于01，則直接發送數據，如果節點地址大于01，節點先進入休眠狀態，等發送時隙到來時喚醒節點發送數據。發送完數據后等待網關確認，如果在時隙結束時收到網關確認則直接進入休眠狀態，如果在時隙結束時未收到網關確認則第二次發送數據，第二次數據發送完成后則再進入休眠狀態，直到下個周期到來前喚醒，等待同步幀開始下一個工作周期。節點應用程序的流程如圖10所示。

4結論

本設計是一款以MSP430F149單片機為核心的大型辦公樓宇用電電器智能控制系統，該系統具有精度高、成本低、結構簡單、功耗低等特點，附加優化的程序，具有很高的實用性。系統主要完成辦公樓宇用電信息采集與節能控制等功能，依托互聯網技術和物聯網技術實現大型辦公樓宇用電監測和節能控制。樓宇內部是一個以局域網、ZigBee、CAN、WiFi為主要通信方式的立體網絡結構，最后通過互聯網連接的方式對所管理的大廈進行用電電器在線監測及能源調度信息的監測，并可以對權限內的用電電器進行完全控制(可深入到房間內部具體的燈具開關等)。

作者：辛衛東 張凡華 神瑞寶 王志翔 王升軍 單位：國網山東節能服務有限公司 國網山東昌邑市供電公司 山東建筑大學 信息與電氣工程學院