第 32 卷 第 221 2011 年 月 3 10 期 日 78· · 电 力 系 统 通 信 Vol.32 No.221 Telecommunications for Electric Power System Mar.10，2011 ZigBee 技术在智能插座设计中的应用 徐 伟，姜元建，王 斌 江苏 南京 南瑞集团信息通信技术分公司 ， （ 211100） 摘要：智能家居是物联网的主要应用之一，它将实现家居的智能化和信息化。 智能插座是智 能家居的组成部分，它具有供电远程控制、用电状态监测、通信组网等功能。 这里研究了智 能插座的功能以及设计方法， 重点研究了 ZigBee 无线技术在其中的应用，ZigBee 技术具有 低成本、高可靠性等优点，非常适用于智能家居系统。 该产品拥有良好的市场前景 ，值得广 泛推广。 关键词：物联网；智能家居；智能插座；ZigBee 中图分类号：TN915.5 文献标志码：B 文章编号：1005-7641（2011）03-0078-04 引言 引言 0 0 ， ， 它 它 可方便地实现 可方便地实现 通信技术采用 通信技术采用 该技术非常适合于家 该技术非常适合于家 ， ， 是智能家居系统的重要组成部分 是智能家居系统的重要组成部分 ， ， 控制及数据传输 用电设备的监测 用电设备的监测 控制及数据传输 了 了 居系统的通信组网 居系统的通信组网 微功率无线技术 微功率无线技术 ZigBee ZigBee ， ， 、 、 。 。 智能插座与智能家居 智能插座与智能家居 物 联 网 物 联 网 是 指 在 物 理 是 指 在 物 理 计算能力 计算能力 “ “ 、 、 智能物体 智能物体 （The Internet of Things） （The Internet of Things） 世界的实体中部署具有一定感知能力 世界的实体中部署具有一定感知能力 和执行能力的嵌入式系统 和执行能力的嵌入式系统 使之成为 使之成为 ， ， 通过网络设施实现信息传输 通过网络设施实现信息传输 现 现 一 一 行集中的控制和管理 行集中的控制和管理 全 全 ”， ”， 从而实 从而实 智能家居是物联网的主要应用之 智能家居是物联网的主要应用之 将家用电子设备进 将家用电子设备进 安 安 物物相联 物物相联 它利用各种信息通信技术 它利用各种信息通信技术 便利 便利 文章介绍了智能插座的主要功能与设计 文章介绍了智能插座的主要功能与设计 从而创造出高效 从而创造出高效 环保的居住环境 环保的居住环境 协同和处理 协同和处理 舒适 舒适 ”。 ”。 ， ， ， ， ， ， ， ， 、 、 “ “ 、 、 、 、 、 、 、 、 。 。 1 1 1.1 智能家居系统 1.1 智能家居系统 、 、 ， ， 将各种家庭设备如家电设备 将各种家庭设备如家电设备 智能家居是物联网的重要应用 智能家居是物联网的重要应用 动化控制系统 动化控制系统 于一体 于一体 ， ， 安防系统 安防系统 现自动化 现自动化 由图 由图 它将融合自 它将融合自 计算机网络系统和网络通讯技术 计算机网络系统和网络通讯技术 照明系统 照明系统 、 、 网络家电等通过智能家庭网络联网实 网络家电等通过智能家庭网络联网实 图 图 可知 可知 包括以下几部分 包括以下几部分 。 。 一个典型的智能家居系统一般 一个典型的智能家居系统一般 为一个智能家居系统的典型框图 为一个智能家居系统的典型框图 1 1 1 1 ， ， ， ， 、 、 、 、 。 。 图 1 智能家居系统 图 1 智能家居系统 Fig.1 Diagram of smart home system Fig.1 Diagram of smart home system 、 、 、 、 、 、 1） 1） 智能模块 智能模块 包括智能插座 包括智能插座 。 。 网络家电等 网络家电等 ， ， 也可以控制电器的工作 也可以控制电器的工作 智能安防系统 智能安防系统 、 、 智能插座主要用于监 智能灯光系统 智能插座主要用于监 智能灯光系统 ， ， 在电 测插座上电器的用电状态 控制电器的供电 控制电器的供电 在电 测插座上电器的用电状态 智 智 器提供接口的前提下 器提供接口的前提下 能 安 防 系 统 和 智 能 灯 光系 统 通 过 相 应 的 视 频 探 能 安 防 系 统 和 智 能 灯 光系 统 通 过 相 应 的 视 频 探 将状态信息实时传送给 将状态信息实时传送给 头 头 主控制器 主控制器 灯光开启关闭 灯光开启关闭 、 、 可直接由主控制 可直接由主控制 等 等 器或远程端控制工作 器或远程端控制工作 网络家电由于具有网络功能 网络家电由于具有网络功能 同时自动进行系统报警 同时自动进行系统报警 传感器监视当前状态 传感器监视当前状态 ， ， ， ， ， ， ， ， 、 、 ； ； ； ； 2） 2） 主控制器 主控制器 主控制器包括嵌入式控制器和 主控制器包括嵌入式控制器和 。 。 嵌入式控制器一般固定安装在入 嵌入式控制器一般固定安装在入 手持式控制器则可以在户内任意地点使用 手持式控制器则可以在户内任意地点使用 。 。 查看或控制智能家居系 查看或控制智能家居系 手持式控制器 手持式控制器 户处 户处 主控制器可以通过按键 主控制器可以通过按键 ， ， ， ， 。 。 ， ， 

统内所有设备的状态 ， 安防控制等 灯光控制 、 。 如对电器开关 状态监测 、 、 ， 。 ， ， 。 3） 本地和远程控制端 本地计算机可通过有 结合计算机 可以方便地在计算机上对家居系 而嵌入式主控制器 用户可利用远程端的上 用户也可以在 ， 实现远程操作 。 保证智能 线方式与嵌入式主控制器连接通信 端的监控软件 统进行参数设置和状态查看 被连接到 网计算机进行远程登录设置 手机上利用 远程操作必须有相应的接入许可措施 家居系统的安全性 1.2 智能插座功能要求 公网登录 Internet， 网络上 Internet 同时 传统的电源插座功能仅是分配多路电源 而 ， 智能插座除具备该功能外 还具有智能化的特点 ， 普 通 插 座 与 智 能 插 座 从外 观 到 功 能 均 有 较 大 不 同 如图 所示 3G ， ， 。 ， ， 2 。 图 2 插座外观对比 Fig.2 Comparison of common outlet and smart outlet 、 、 定时型 计量型等多种类型[1，2]。 目前市场上已经出现了多种不同功能的智能 主路控制型 包括漏电保护型 远程 、 这几类智能插座内 但以 产品功能较为 还无法达到智 插座 ， 遥控型 部均集成了微处理器芯片 提供单一的保护 单一 能家居系统的应用要求 监测或控制为主 很难实现信息化和远程控制 可进行智能处理 、 ， ， 、 ， ， ， 。 为满足智能家居系统的要求 ， 其必须具有智能化 除具有电源分配功能外 ， 需要设计出新 信息化的特 还应该具备以下功 、 型的智能插座 点 能 ， ， ： 控制功能 智能插座应能通过开断电源 1） 。 来 或对电器的通信口发命 电热水 电饭煲 ， 、 、 控制插座上电器的供电 令帧控制 器等 ， ， 控制的家电包括空调 。 100 m 离 。 间 。 6） 络结构 ， 多可容纳 7） 8） 通信功能 智能插座要与主控制器进行通 2） 将数据传送给主控制器或响应主控制器的命 。 活确定其安全属性 免执照频段 信 ， ·智能通信· 徐 伟 等 ZigBee 技术在智能插座设计中的应用 79· · 智能插座与主 ， 保证智能家居系统的正常工作 令 控制器构成有效的通信网络 。 通信应快速稳定 ， 监测功能 如电压 3） 。 电流 作状态 分析电器的负荷情况 用电提供参考 ， 、 、 该功能可以监测负载当前的工 用户可以 为 功率 运行功率 待机功耗等 用电量等 、 、 ， 、 。 ， 。 其他功能 4） 2 ZigBee 如定时供电 。 技术介绍 异常保护等 ， 。 ， ， ， 、 ， 。 ， 微功率无线技术 智能插座需要与主控制器进行持续可靠的通 可以采用 因此选择合适的通信技术非常重要 如低压电力线 目前国内的低压线路噪声 ， 导致电力线载波通信不够稳 更适合智能家居 信 的通信技术包括有线及无线技术 载波 、 干扰强 定 ， 系统 Zigbee 2.1 ZigBee 技术特点 而微功率无线技术成熟可靠 信号衰减大 因此采用了 无线技术 嗡嗡 （bee） Zigbee ”（Zig） IEEE 802.15.4 由于蜜蜂 协议的代名词 这一 。 是靠飞 地抖动翅膀的舞蹈来与同伴传 也就是说蜜蜂依靠这样的 它适合用于自动 具有以 可以嵌入各种设备 名称来源于蜜蜂的之字舞 翔和 递花粉所在方位信息 方式构成了群体中的通信网络 控制和远程控制领域 下技术特点[3]。 低功耗 待机功耗极低 适用于低功耗应用 是 。 ， “ ， 。 ， ， ， 场合 1） 。 2） 低成本 控制器的要求 低速率 3） 。 。 。 。 降低了对通信 通过大幅简化协议 另外 传输速率在 ，ZigBee ， 协议免专利费 20～250 kbit/s 。 之间 完 ， 全满足低速率传输数据的应用需求 。 4 ） 近 距 离 之间 ， 点 对 点 传 输 距 离 一 般 介 于 。 可通过调节 10～ 发射功率来改变距 如果进行拓扑组网 短时 延 5） 。 ZigBee 则通信距离大大扩展 ， 的 响 应 速 度 在 。 15～30 ms RF 高容量 一个主节点可管理 。 ZigBee 可采用星状 片状和网状网 网络最 个子节点 、 254 ， 个节点 。 65 000 高安全 。 ZigBee 提供了三级安全模式 可灵 ， 。 。 采用直接序列扩频在工业科 

80· · 电 力 系 统 通 信 （ ， 32 221 ） 2011 ，2.4 GHz （ ，2.4 GHz （ 全 球 全 球 ）、915 MHz （ ）、915 MHz （ 美 美 安 全 服 务 提 供 层 与 端 点相 接 安 全 服 务 提 供 层 与 端 点相 接 应 用 层 可 以 通 过 应 用 层 可 以 通 过 对网络层参数进行配置和 对网络层参数进行配置和 。 。 设备对象 设备对象 （ZD0） （ZD0） ZigBee ZigBee 访问[5]。 访问[5]。 和 和 频 段 频 段 （ISM） （ISM） 学 医 疗 学 医 疗 国 国 ）。 ）。 2.2 ZigBee 通信原理 2.2 ZigBee 通信原理 868 MHz（ 868 MHz（ 欧洲 欧洲 ） ） 完 整 的 完 整 的 ZigBee ZigBee 中定义的 中定义的 网 络 层 网 络 层 的 体 系 结 构 应 该 包 括 的 体 系 结 构 应 该 包 括 以及 以及 和 和 ZigBee ZigBee 应 用 层 和 安 全 服 务 提 供 应 用 层 和 安 全 服 务 提 供 IEEE IEEE MAC MAC 层 层 ， ， PHY PHY （NWK）、 （NWK）、 802.15.4 802.15.4 堆栈层 堆栈层 层[4]。 层[4]。 ： ： 如图 如图 所示 所示 3 3 。 。 安全机制由安全服务提供层提供 安全机制由安全服务提供层提供 系统的整体安全性是在模板级定义的 系统的整体安全性是在模板级定义的 值得注意 值得注意 的是 的是 这意 这意 味着模板应该定义某一特定网络中应该实现何种 味着模板应该定义某一特定网络中应该实现何种 类型的安全 类型的安全 。 。 ， ， ， ， 。 。 智能插座的设计与实现 智能插座的设计与实现 3 3 3.1 ZigBee 模块设计 3.1 ZigBee 模块设计 对于 对于 ZigBee ZigBee 设备来说 设备来说 可以只实现 可以只实现 ， ， 系结构中的部分功能 系结构中的部分功能 ， ， 对应着不同的设备类型 对应着不同的设备类型 点对点通信 点对点通信 则只需要实现 则只需要实现 ：RFD ：RFD 和 和 FFD。 FFD。 节中的 节中的 也可以实现所有服务 也可以实现所有服务 ， ， MAC MAC 如果想实现 动 态 组 网 路 由 如果想实现 动 态 组 网 路 由 2.2 2.2 ， ， ZigBee ZigBee 体 体 因此 因此 如果仅需要 如果仅需要 层和 层和 安 全 安 全 、 、 ， ， PHY PHY 管理 管理 层的功能 层的功能 则需要实现整个 则需要实现整个 ， ， 对应不同的设计需求 对应不同的设计需求 ， ， 前在市场上出现了很多种 前在市场上出现了很多种 要包括三类 要包括三类 层功能 层功能 的 的 方案 方案 要外部电路配合 要外部电路配合 ：① ：① 需要与 需要与 ， ， 芯片 芯片 ， ， 集成 集成 其内部带有 其内部带有 ZigBee ZigBee ZigBee ZigBee 专用 专用 MCU MCU SOC SOC ；③ ；③ 。 。 ZigBee ZigBee 协议栈 协议栈 。 。 有不同的设计方法 有不同的设计方法 。 。 的相关芯片 的相关芯片 目 目 主 主 ， ， ZigBee ZigBee 收发芯片 收发芯片 实现了 实现了 ， ， PHY PHY 集成 集成 PHY PHY 功能 功能 可实现单片解决 可实现单片解决 也需 也需 芯片 芯片 SOC SOC ， ， 配合使用 配合使用 ；② ；② MCU， MCU， 所有功能的 所有功能的 弊 弊 ， ， 较低 较低 从成本和灵活性考虑 从成本和灵活性考虑 这里采用了第一类芯片进行设计 这里采用了第一类芯片进行设计 ， ， ， ， 开 发 方 法 灵 活 开 发 方 法 灵 活 。 。 其符合 其符合 芯片 芯片 选 用 了 选 用 了 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 MC13192 MC13192 工作频率 为 工作频率 为 ， ， 2.405～2.480 GHz， 2.405～2.480 GHz， 调试方式 调试方式 O-QPSK O-QPSK 采用 采用 250 kbit/s， 250 kbit/s， 程功率输出模式 程功率输出模式 度 度 3.2 智能插座硬件设计 3.2 智能插座硬件设计 -92 dBm， -92 dBm， 传输距离可达 传输距离可达 ， ， 发送功率 发送功率 30～70 m。 30～70 m。 ， ， Freescale Freescale 以上三类芯片各有利 以上三类芯片各有利 该方案成本 该方案成本 公 司 的 公 司 的 它的 它的 数 据 传 输 速 率 为 数 据 传 输 速 率 为 芯片采用可编 芯片采用可编 接收灵敏 接收灵敏 标准 标准 ， ， ， ， 0～4 dBm， 0～4 dBm， 整 个 电 路 系 统 以 微 处 理 器 整 个 电 路 系 统 以 微 处 理 器 信号测量 信号测量 、 、 、 、 电源转换 电源转换 ， ， 看 出 看 出 包括功率控制 包括功率控制 部分 部分 。 。 ， ， （MCU） （MCU） 为 核 心 为 核 心 ， ， 通信模块等 通信模块等 4 4 、 、 微处理器 微处理器 微处理器为电路系统的核心 微处理器为电路系统的核心 1） 1） 。 。 责整个系统的测量 责整个系统的测量 控制 控制 择 电 磁 兼 容 性 能 较好 的 择 电 磁 兼 容 性 能 较好 的 器 器 如 如 、 、 ， ， STR711， STR711， 32 bit 32 bit 并加硬件看门狗防止死机 并加硬件看门狗防止死机 16 bit 16 bit 。 。 通信 通信 、 、 、 、 管理 管理 或 或 ， ， ， ， 负 负 我们需要选 我们需要选 微 处 理 微 处 理 图 3 ZigBee 网络结构 图 3 ZigBee 网络结构 Fig.3 ZigBee network structure Fig.3 ZigBee network structure IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 标 准 为 低 速 率 无 线 个 人 域 网 标 准 为 低 速 率 无 线 个 人 域 网 定义了 定义了 模型开始的两层 模型开始的两层 OSI OSI （LR-WPAN） （LR-WPAN） 层定义了无线射频应该具备的特征 层定义了无线射频应该具备的特征 不 同 的 射 频 信 号 不 同 的 射 频 信 号 ， ， 波段 波段 。 PHY 。 PHY 它支持两种 它支持两种 波 段 和 波 段 和 2 450 MHz 2 450 MHz 波段射频可以提供 波段射频可以提供 分 别 位 于 分 别 位 于 ， ， 868/915 MHz 868/915 MHz 。 2 450 MHz 。 2 450 MHz 250 kbit/s 250 kbit/s 915 MHz 915 MHz 20 kbit/s 20 kbit/s 40 kbit/s 40 kbit/s 16 16 的数据速率和 的数据速率和 波段中 波段中 的信道 的信道 的信道 的信道 ，915 MHz ，915 MHz ，868 MHz ，868 MHz 。 。 个不同的信道 个不同的信道 支持 支持 支持 支持 。 868/ 。 868/ 个数 据 速 率 为 个数 据 速 率 为 个数据速率为 个数据速率为 1 1 10 10 MAC MAC 层 负 责 相 邻 设 备 间 的 单 跳 数 据 通 信 层 负 责 相 邻 设 备 间 的 单 跳 数 据 通 信 。 。 支 持 关 联 和 去 关 联 支 持 关 联 和 去 关 联 它 能 提 供 二 个 设 备 之 间 的 可 它 能 提 供 二 个 设 备 之 间 的 可 ， ， 它 负 责 建 立 与 网 络 的 同 步 它 负 责 建 立 与 网 络 的 同 步 以 及 以 及 靠链接 靠链接 层 安 全 层 安 全 MAC MAC ， ， 。 。 ZigBee ZigBee 网络层的主要功能是确保 网络层的主要功能是确保 并为应用层提供合适的服务接口 并为应用层提供合适的服务接口 ， ， 常工作 常工作 应用层提供合适的服务接口 应用层提供合适的服务接口 功能服务实体 功能服务实体 别实现数据服务和网络管理功能 别实现数据服务和网络管理功能 种 网 络 拓 扑 结 构 种 网 络 拓 扑 结 构 星 形 结 构 星 形 结 构 ， ， ： ： ， ， 和网形结构 和网形结构 。 。 MAC MAC 层正 层正 为了向 为了向 网络层包含了两个 网络层包含了两个 分 分 网络层支持三 网络层支持三 树 形 结 构 树 形 结 构 ， ， 。 。 （Star）、 （Star）、 （Cluster tree） （Cluster tree） （Mesh）。 （Mesh）。 应 用 层 主 要 包 括应 用 支 持 层 应 用 层 主 要 包 括应 用 支 持 层 和制造商所定义的应用对象 和制造商所定义的应用对象 （ZDO） （ZDO） 设备对象 设备对象 用层将实现端到端的通信 用层将实现端到端的通信 支 持 子 层 支 持 子 层 提 供 的 服 务 提 供 的 服 务 ， ， （APS） （APS） （APS）、ZigBee （APS）、ZigBee 应 应 所有端点都使用应用 所有端点都使用应用 通 过 网 络 层 和 通 过 网 络 层 和 。 。 ，APS ，APS 数据服务实体和管理服务实体 数据服务实体和管理服务实体 智能插座的硬件原理框图如图 智能插座的硬件原理框图如图 所示 所示 可以 可以 

·智能通信· 徐 伟 等 ZigBee 技术在智能插座设计中的应用 81· · 结语 4 介绍了智能插座在智能家居系统中的应用 ， 智能插座具 将 以及它采用的通信技术和设计方法 有智能控制 满足智能家居系统和物联网的发展需求 通信组网等多种功能 本地监测 ， 、 、 ， 。 智能插座的应用不能单一实现 并在系统中发挥作用 ， 它需要与智 随着智 智能插座的应用将越来 。 能家居系统相配套 能家居系统的快速发展 越广泛 ， ， 。 参考文献 温 铁 钝 , [1] 孙 键 国 张 天 宏 . , 无 线 遥 控 智 能 插 座的 设 计 测控技术 , 2003, 22(10)： 53-55. [2] [3] [J]. 汤 荣 秀 能插座 李毅 . 测 [J]. , 陈 三 宝 杜 占 磊 , . 工业控制计算机 基 于 USB 通 信 的 多 功 能 智 ，2004，17(2)：16-17. 网络技术的用电需求侧全面监 ZigBee [J]. 基于无线 四川电力技术 ，2010，33(2)：80-82. 胡晓东 戴瑜兴 . ， [4] 基于 ZigBee 技术的智能家居控制系 统设计 [J]. 低压电器 肖海涛 . [5] 基于 ZigBee ，2008 (14)：19-21. 技术的智能家居系统设计 电子科技大学 都 : ，2008. 成 [D]. （ZL） 徐 伟 （1980—），男 ，江 苏 仪 征 人 ，工 程 师 ，从 事 配 用 电、通信产品的技术研发工作。 姜 元 建 （1973—），男 ，江 苏 南 京 人 ，工 程 师 ，从 事 配 用 电产品的技术研发工作。 王 斌 （1977—），男 ，江 苏 南 京 人 ，工 程 师 ，从 事 配 用 电、通信网管产品的技术研发工作。 （收稿日期：2010-11-08；修回日期：2010-12-06） 图 4 智能插座电路 Fig.4 Hardware architecture of smart outlet 2） 电源转换 变换 行 压 求 ， ， AC-DC 如 ， 并考虑电磁兼容性能 +5 V、+3.3 V， 。 220 V 该部分将 的交流电压进 。 输 出 电 路 系 统中 需 要 的 直 流 电 输出功率要满足系统工作要 3） 功率控制 。 来管理负载的供电 最大功率 收开合瞬间的反向电流和高压 造成冲击 由微处理器控制继电器的开合 ， 继电器的容量要高于负载的 吸 防止对内部电路 继电器回路需加二极管和电容器件 ， ， ， ， 输入的电压 。 锰铜片等转换为弱电信号 电流强电信号首先 再输入 、 , 。 信号测量 4） 通过分压电阻 给专用的计量芯片 、 ， 如 数字运算电路 ， 功率等计算 转换 、 D 流有效值 后处理 其内部具有 ATT7022B， A/ 可以自动完成多路电压电 生成的数据由 抄取 级 MCU 1.0 。 模块的设计方法见 3.1 接口相连 由 ， MCU 智能插座必须 设备地址在网 、 测量精度等级可以达到 ， 。 通信模块 5） 通信芯片与 。 ZigBee 通过 ， MCU 节 控制芯片的工作 在整个系统中 与主控制器具有相同的网络地址 络中具有唯一性 SPI 。 ， ， 。 The Application of ZigBee Technology in Smart Outlet Design XU Wei, JIANG Yuan-jian, WANG Bin (NARI Group Corporation，Nanjing 210003，China) the main application of Abstract: As one of Internet of Things, smart home system can provide an intelligent and information home for people. Smart outlet plays an important role in smart home system, which can realize remote control, power consumption monitoring and communication functions. This paper introduces the design and application of smart power outlet in smart home system, discusses the application of ZigBee wireless technology in smart outlet design. With the advantages of low cost and high reliability, ZigBee wireless technology is the right choice for smart home system and has good market prospects. Key words: internet of things; smart home system; smart power outlet; ZigBee