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附录A 译文

一种基于ZigBee的建筑电气安全检测与保护系统

摘 要

本文提出了一种用于建筑电气安全的ZigBee监控与保护系统。建筑中传统配电系统的主要部件是无保险丝断路器(NFBs)和电源插座，其功能分别是输电和过载保护。NFBs仅具有过载保护的功能，在防止由接触不良或灰尘污染引起的电气火灾方面并不是完全有效的。另外，由于NFBs跳闸，所有设备在同一支路电路中断开，传统配电系统的安全性和智能化仍有待改进。为了增强传统配电系统的功能，本文建立了该系统的保护机制。该系统可以动态设置插座的过载限制，避免在插座切断电源时对同一分支电路中其他设备的影响。此外，在出口处建立了具有温度控制的自我保护功能，用于防火。本文详细描述了所提出的系统，从设计到实现，以及演示实验的结果。

关键词 ZigBee；无线传感器网络；电气安全；智能插座

1.序言

根据世界卫生组织（世卫组织）的数据，老年人口将从2000年的约6亿增加到2050年的接近20亿。全球平均年龄从1950年的23.6岁上升到2000年的26.4岁。据估计，到2050年，世界人口的平均年龄将为36.8岁。此外，根据世卫组织的统计数据，大约10%的人口将经历某种形式的残疾。为了使人们的生活环境更安全、更方便、更舒适，人们发展了智能建筑或家庭自动化的概念。随着预期寿命的延长，智能建筑能够为老年人和残疾人提供一个更独立的生活方式[1,2]。

智能建筑的研究领域包括环境监测、建筑安全、电力系统监控、远程医疗监控等。除了这些功能外，由于能源资源有限，节能也非常重要。为了节约酒店、方便企业、甚至办公设备的电力，已经开发了许多能源管理技术，从而降低了能源实用费率[3–8]。

在建筑电力系统监控的研究方面，最近提出了许多关于电源插座的研究，该领域已逐渐成为智能建筑电力管理的核心。本研究的主要重点包括通信系统、功耗监测、电器的远程开关控制、过载保护和能源管理。

最早的智能建筑网络系统使用了有线通信。在相关文献[9]中，火灾探测系统采用了CAN总线。然而，有线通信系统并不是非常美观的解决方案。因此，提出了用于传输控制数据的电力线载波(PLC)的[10]。然而，PLC通信很难集成其他系统，如窗户或门安装的安全保险系统。上述问题通过无线传感器网络(WSN)来解决，WSN是一组无线连接来执行分布式传感任务[11]的传感器。蓝牙采用点对点到多点通信结构[12]；然而，蓝牙网络最多只能支持8个节点。因此，蓝牙不能形成大型而复杂的网络。ZigBee可以形成大型网络，被用来解决这个问题[13]。理论上，ZigBee网络结构可以连接超过65,000个节点。然而，在普通的应用程序中，ZigBee连接了大约数十个或数百个节点[14,15]。

为了支持远程控制的功能，已经开发了各种网关来集成不同的通信接口。一旦WSN被设计用于控制设备，就会有一个建筑网关，连接WSN无线通信系统和外部网络之间的桥梁。建筑网关与Wi-Fi和ZigBee集成，并应用于建筑自动化网络[16]。前者被用作一座桥，连接着大楼的内部网和互联网。该网关集成了四种不同的接口，包括USB、以太网、RS232和蓝牙[17]。因此，它与其他设施的兼容性更强。在[12]中，提出了以太网和GSM模块，它们可以通过互联网和短消息服务(SMS)将控制代码发送到电源插座。虽然它不需要一个单独的网关，但电源插座是笨重和昂贵的。

在功率测量方面的研究中，采用了一种测量功率的微处理器来测量功率参数，并应用于功率监测[12]。提出了一种采用ZigBee设计的电源插座，以便在备用条件[18]下检测较低功率和对电力设施进行判断时切断电源和节能。一项研究提出了过载保护[19]，它允许电源插座检测电流，但一般来说，商业插座提供固定电流保护作为过载保护，而且缺乏灵活性。如果过载保护的设定阈值过高，流过出口的电流越高，增加分支电路电流过载的可能性，如果过载保护的设定阈值过低，则电流需求大的设施出口失效。

今天，大多数电力分销商在分支电路中提供NFB。当电流流过容量时，双金属装置会由于加热而断开电源线，以保护电气设施。然而，大多数电气火灾并不一定是由过载或短路引起的。例如，与电路连接不好的感应设施会导致连接点周围火花产生大量热量；累积的热量足以引起火灾。根据台湾省消防局统计，2008年火灾共计2886例，其中发生设计故障、电线老化、接触不良、分支电路过载事故1016例。因此，为智能建筑提供自律、节能、安全功能的电器电源监测概念已成为一个需要关注的问题。

如上所述，NFBs不能保证用电安全，同一支路中的所有设施在断路时都会断开。此外，有关插座保护功能的相关研究并没有考虑到同一分支电路中其他插座的功耗情况。针对上述缺陷，本文提出了一种基于ZigBee无线通信系统的智能监控系统，其主要功能如下：（1）智能过载保护能够传输分支电路的功耗状态，并计算动态设置ZigBee无线通信网络各电源插座的保护阈值的电量；（2）带温度传感器的过热保护能够检测插座的工作温度；一旦发生过热，就会切断电源线以避免火灾；（3）远程监控，其中智能节点将配备一个通用分组无线电服务(GPRS)模块，允许远程监控和控制。总之，智能插座的设计将完全、有效地提高建筑能耗的安全性。

本文的其余部分组织如下：第2节提供了系统概述。第3节介绍了系统的设计及其实现方法。第4节总结了实验结果。第5节提出了结论。

2.系统结构

所提出的系统结构提供了基于ZigBee的建筑功耗安全机制，如图1所示，其中无线通信平台、基节点和智能节点是系统的三个主要组成部分。

目前，常用的无线通信协议包括射频识别(RFID)、ZigBee、红外数据关联(IrDA)、蓝牙和Wi-Fi。RFID和IrDA由于传输距离短、节点扩展困难，不适用于该系统。ZigBee、蓝牙和Wi-Fi之间的性能比较如表1所示[14、15、20-22]。由于每个通信协议都有其合适的应用场合，本研究需要数十米的传输距离，超过10个节点，功耗低，本系统选择ZigBee作为通信协议。本研究中ZigBee的网络结构为星形结构，基节点与智能节点的连接方法是轮询。当系统更新速率为1s时，最大节点数为30个。通过减少系统数据更新率，可以增加节点数。此外，该系统还构建了另一个利用GPRS技术的通信平台，以实现远程控制。

智能节点可以测量电流、功率、电压等参数，以便从出口提供实时信息。通过测量出口电源，然后通过ZigBee将数据传输到基节点，实现了分支电路的保护功能。基节点根据从智能节点传输的数据计算出分支电路的总电流，然后将剩余电流值上的数据作为智能节点过载保护功能的阈值发回。当电气设施接入支路电路开始过载时，智能节点会立即切断电源线，防止过载。此外，智能节点会测量插头点的温度；如果温度过高，智能节点也会切断电源线，以防止火灾发生。

3.设计和实施的方法

3.1 基本节点

基节点是所有分支电路的监控中心，也是外部通信的网关和用户接口。其主要功能如下：

1. 通过GPRS执行远程控制指令。
2. 监控智能节点的功耗。
3. 计算各分支电路的剩余功率容量。
4. 表示所有的功耗信息。

基节点由一个微控制器(MCU)、LCD模块、ZigBee模块和GPRS模块组成。GPRS和ZigBee模块将MCU与通用异步接收器和发射器(UART)接口连接，而LCD模块将MCU连接到并行主端口(PMP)和模拟到数字转换器(ADC)接口。其电路结构如图2所示。

3.1.1 基本节点控制器

基节点控制器是一个16位单片机，具有ADC、PMP和UART模块，充分满足该系统的需求。其软件流程图如图3所示，其中单片机定时器每200ms中断一次，检测来自触摸面板的信号。

3.1.2 LCD模块

该LCD模块包括一个LCD控制器和4.3英寸TFT-LCD触摸面板。LCD控制器通过安装在内置显示RAM中的PMP接口从单片机接收图像信息。然后，它传递驱动器信号来实现显示功能。此外，该系统还可以选择带有触摸传感器的液晶显示屏。通过触摸传感器技术，该系统变得更简单、更方便。触摸传感器为四线调整器，连接到ADC模块。ADC模块发出测试电压，获取触摸面板的信号，并根据该信号计算其在面板上的触摸位置。LCD模块的结构如图4所示。

3.1.3 ZigBee模块

ZigBee模块由一个处理器组成，执行2.4G射频(RF)执行ZigBee协议；其结构如图5所示。ZigBee是采用ZigBee联盟拥有的IEEE802.15.4标准的无线网络协议，定义了媒体层和目标层，成本低功耗、传输速度低，安全性高，支持大量的web节点操作。因此，它非常适合用于建筑监控系统。

在ZigBee中，节点间的有效传输距离由为模块设计的传输功率决定。目前，在无障碍条件下，商业模块的传输距离可达到100m左右。虽然建筑物的分区块可以减少通信距离，使用ZigBee可以支持树或网格的网络结构，并设置一些节点网络路由器功能可以有效地克服传输在同一水平地板和不同垂直地板[21]长距离的问题。从概念上讲，ZigBee通信可以应用于建筑物，而不限制传输距离。

在噪声干扰问题上，ZigBee采用直接序列扩频谱(DSSS)来减少环境干扰。此外，它还采用了载波感知多址碰撞避免(CSMA/CA)信道接入机制、动态频率选择和传输功率控制，以避免信道碰撞[14,23,24]。

3.1.4 GPRS模块

为了实现远程控制和监控，需要建设一个互联网通信平台。考虑到基节点构建的便利性，以及本系统中互联网与平台的结合，采用GPRS技术构建了通信平台，其中目前的GSM提供了2.5G的互联网服务。GPRS采用信息包技术取代了传统的GSM电路交换技术，使即时通信电路能够突发地传输大量数据；其传输速率可达到115.2kbps。

3.2 智能节点

智能节点，即测量和控制节点，如图6所示。智能节点包括直流电源模块、单片机、交流电源控制模块、温度敏模块、指示灯led和ZigBee模块。智能节点的主要功能如下：

（1）测量温度、电源插座的电压、电流、功率等参数。

（2）出口电源输出功率的控制。

（3）安全保护，防止超载和过热。

（4）每个节点的信息通过ZigBee传输到基节点。

3.2.1 直流电源模块

直流电源模块的主要功能是将AC110V切换到DC5V和3.3V，为智能节点的运行电源或所有模块。其电路结构如图7所示。AC110V通过将电源模块切换到DC9V，然后通过线性调节器切换到DC5V和3.3V。

3.2.2 功率测量模块

功率测量模块主要用于功率测量IC，误差幅度为0.1%，符合IEC61036/IEC60687、IEC62053-21和IEC62053-22的要求。该IC包含两个二阶、16位minus;ADC；执行有源和表观能量测量、线电压周期测量以及电压和电流通道的均方根（均方根）计算所需的所有信号处理。它可以提供一个串行接口(SPI)来读取数据。该模块的电路如图8所示。

电压和电流均方根的计算流程图可分为两个步骤，即AD转换和数字信号处理。

步骤1：模数转换器

ADC用于将模拟信号转换为数字信号。测量IC具有两个16位、二阶minus;ADC，其中一个用于转换电压信号，另一个用于转换电流信号。测量IC输入的最大信号值为plusmn;0.5V。因此，使用电阻设计合理的高电阻分压器，可将AC130V转换到plusmn;0.5V。此外，电流采样可以使用电流互感器测量具有适当电阻的电流信号，并可以将AC30A传输到plusmn;0.5V。将传输的电压和电流分别输入测量IC，以便进行下一次计算。

步骤2：数字信号处理

对于时间采样信号，均方根计算包括信号的平方，取平均值，并得到平方根，如（1）。

如上所述，测量集成电路中电压和电流均方根的计算过程如图9所示。经过电压采样，通过260hz低通滤波器后，计算出信号的平方，再通过另一个低通滤波器，最后找到平方根。数据被发送到测量集成电路中的某个寄存器，以进行偏移补偿，然后调整平方和值的正根以进行精确测量。最后，数据被存储在一个24位寄存器中，每698秒刷新一次。电压和电流的指示值与均方根值之间的关系如等式所示。

瞬时功率信号在交流系统中定义为如（4）。

因此，在测量IC时，通过LPF提取瞬时功率信号的直流分量，获得有源功率信息。LPF的截止频率约为8Hz。实功率的计算过程如图10所示。采样传递电压和电流后，电压与电流乘以得到瞬时功率，然后放入8Hz低通滤波器得到平均功率。通过调整偏移量和增益来增加所存储的能量的范围，最终的结果被存储在一个48位的能量寄存器中。在3.57MHz的工作频率下，数据每1.1s累积一次。单威电影机只是获得了最重要的24位数据。为了确定功率，必须区分能量寄存器的数据。指示功率值与平均功率值之间的关系见等式 (6):

3.2.3 温度测量模块

温度传感器电路的主要功能是测量出口的温度，以避免导致过热和火灾。本系统采用的温度传感器为SMDtypyedNTC（负温度系数）热敏电阻，体积小，易于安装在出口盒上，如图11所示。温度传感器电路是一个具有

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