《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于WiFi和ZigBee通信的家庭用電管理系統(tǒng)
2015年微型機(jī)與應(yīng)用第14期
張保增,,陳新春,,胡東方,,鄭記濤
(河南許繼儀表有限公司,,河南 許昌 461000)
摘要: 基于能源越來越緊缺,節(jié)能變得越來越重要,,研發(fā)了一種基于WiFi和ZigBee通信的電能管理智能家居系統(tǒng),。系統(tǒng)由管理中心、PAD和帶計(jì)量的控制終端(開關(guān),、插座)組成,。管理中心通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)讀取電器的控制狀態(tài)以及用電數(shù)據(jù),PAD通過WiFi網(wǎng)絡(luò)讀取管理中心存儲(chǔ)的用電數(shù)據(jù),。PAD可以對家庭用電分類進(jìn)行監(jiān)視和統(tǒng)計(jì),,用戶可以根據(jù)用電情況制定相應(yīng)的節(jié)能用能措施,實(shí)現(xiàn)節(jié)約用電的目的,。實(shí)踐證明,,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的結(jié)果,。
關(guān)鍵詞: WiFi 節(jié)能 ZigBee PAD
Abstract:
Key words :

  摘  要: 基于能源越來越緊缺,,節(jié)能變得越來越重要,研發(fā)了一種基于WiFiZigBee通信的電能管理智能家居系統(tǒng),。系統(tǒng)由管理中心,、PAD和帶計(jì)量的控制終端(開關(guān)、插座)組成,。管理中心通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)讀取電器的控制狀態(tài)以及用電數(shù)據(jù),,PAD通過WiFi網(wǎng)絡(luò)讀取管理中心存儲(chǔ)的用電數(shù)據(jù)。PAD可以對家庭用電分類進(jìn)行監(jiān)視和統(tǒng)計(jì),,用戶可以根據(jù)用電情況制定相應(yīng)的節(jié)能用能措施,,實(shí)現(xiàn)節(jié)約用電的目的。實(shí)踐證明,,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,,可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的結(jié)果。

  關(guān)鍵詞: WiFi,;節(jié)能,;ZigBee

0 引言

  隨著全球能源消耗不斷加大,全球氣候變暖已成為威脅人類生存的重大問題,。因此,,提高電能利用效率越來越成為社會(huì)的要求。研究如何實(shí)現(xiàn)家庭電能消耗的最優(yōu)配置和探求有效的電能節(jié)約途徑成為研究的熱點(diǎn)[1],,并出臺了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[2-4],。

  對用戶來說,節(jié)能減排的最大動(dòng)力就是能夠節(jié)約電費(fèi),。雖然目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了諸多的節(jié)能電器,,例如節(jié)能燈、節(jié)能空調(diào),、節(jié)能冰箱等,,但是對這些電器的節(jié)能效果用戶只有能依據(jù)廠商宣傳的概念,并沒有這些電器耗能具體數(shù)據(jù)(換算成電費(fèi)),,無法對電器的節(jié)能與自己的投資進(jìn)行比較,。目前國內(nèi)僅對用戶安裝一塊電能表,用戶可以知道自己家庭每個(gè)月使用的總電費(fèi),,但卻不知道這些電費(fèi)都用到了什么方面,,也就沒辦法針對關(guān)鍵耗能設(shè)備進(jìn)行有效的節(jié)能,有效地推進(jìn)節(jié)能,。

  智能家居的提出使得人們可以自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)對家用電器的控制,。目前的智能家居系統(tǒng)對家庭設(shè)備的控制和舒適性的研究較多[5-6],但對于家庭節(jié)能的方面研究較少。對于家庭節(jié)能的研究主要集中在理論和總用電模式方面,。聚類集成的算法可以對用戶用電的特征進(jìn)行識別[7],,但無法進(jìn)行相應(yīng)的、有效的調(diào)整,。

  本文主要實(shí)現(xiàn)了一種基于家居節(jié)能的智能家居系統(tǒng),,通過對智能開關(guān)和智能插座所計(jì)量電能的計(jì)量和統(tǒng)計(jì),可以得到家庭用電的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),,同時(shí)可以自動(dòng)設(shè)計(jì)用電方案來控制家庭用電,。

1 系統(tǒng)方案

  整個(gè)方案包括外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)部分,智能家居系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入外網(wǎng)中,,通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為家庭內(nèi)部WiFi網(wǎng),。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

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  管理中心是智能家居系統(tǒng)的核心設(shè)備,,負(fù)責(zé)用戶的用電設(shè)備集中接入和控制,,并對設(shè)備用電信息進(jìn)行收集、處理和存儲(chǔ),。同時(shí),,管理中心接收網(wǎng)關(guān)和PAD的WiFi命令,同時(shí)實(shí)現(xiàn)與室內(nèi)智能終端(智能開關(guān),、智能插座等)的通信,。PAD可以實(shí)現(xiàn)與用戶的界面交互,用戶可以通過PAD實(shí)現(xiàn)對智能家居設(shè)備的控制和狀態(tài)查詢,,以及設(shè)置智能用電控制方案,。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

  智能家居系統(tǒng)可以劃分為外部網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)和內(nèi)部網(wǎng)3個(gè)部分,。外部網(wǎng)采用以太網(wǎng)技術(shù),。常用的內(nèi)部網(wǎng)目前主要有有線和無線兩種方式。其中無線方式和電力線載波方式無需重新布線,,在智能家居中得到了廣泛的應(yīng)用,。

  在本方案中,內(nèi)部網(wǎng)有WiFi和ZigBee兩種方式,。WiFi屬于近距離無線通信技術(shù)的一種,。WiFi通信方式有AP(Access Point)-STA(Station)組網(wǎng)方式與Peer-to-Peer兩種組網(wǎng)方式[8]。這里采用AP-STA方式,。網(wǎng)關(guān)作為WiFi的訪問點(diǎn)(AP),,PAD和管理中心作為站點(diǎn)(STA),這樣可以有多個(gè)PAD或者主站同時(shí)訪問系統(tǒng),。WiFi具有較高的無線通信速率,,可以實(shí)現(xiàn)PAD,、網(wǎng)關(guān)與管理中心之間大量數(shù)據(jù)的快速通信。

  管理中心與各終端設(shè)備之間采用ZigBee通信技術(shù),。ZigBee是一種短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),,具有低功耗、低復(fù)雜度,、自組織網(wǎng),、低數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)。ZigBee傳輸速度為20 kb/s~250 kb/s,,傳輸距離介于10 m~100 m[9-10],國內(nèi)的通信頻率在2.4 GHz,。相對于WiFi通信方式,,ZigBee速率較低,功耗較小,,具有自動(dòng)組網(wǎng)路由功能,,可以根據(jù)通信環(huán)境自動(dòng)切換到合適的頻道。

  ZigBee網(wǎng)絡(luò)層支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,即星型結(jié)構(gòu)(Star),、簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)。本系統(tǒng)中采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),,這樣可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)各通信節(jié)點(diǎn)的路由,。管理中心ZigBee設(shè)計(jì)為ZigBee協(xié)調(diào)器(Coordinator),其余產(chǎn)品中ZigBee設(shè)計(jì)為ZigBee路由器(Router),。為了簡化設(shè)計(jì),,本系統(tǒng)中的ZigBee封裝為一個(gè)ZigBee模塊,模塊與控制裝置之間使用UART口進(jìn)行通信,。

  當(dāng)完成系統(tǒng)的安裝上電后,,室內(nèi)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過程如下:使用手持設(shè)備讀取各終端ZigBee的MAC地址把各終端ZigBee的MAC地址輸入到管理中心內(nèi),管理中心再把MAC地址添加到ZigBee協(xié)調(diào)器內(nèi),,各ZigBee節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入到協(xié)調(diào)器中,,組織成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

  ZigBee在系統(tǒng)中的配置如圖2所示,。

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3 管理中心的設(shè)計(jì)

  管理中心接收各終端的數(shù)據(jù),,同時(shí)把各種用戶對終端的操作通過ZigBee下發(fā)到終端,完成對終端的操作,。同時(shí)存儲(chǔ)和分析用戶的電能數(shù)據(jù),,實(shí)現(xiàn)對家庭用電的智能控制。

  3.1 管理中心硬件設(shè)計(jì)

  管理中心的硬件框架圖如圖3所示,。

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  管理中心基于ATMEL的ARM9主處理芯片進(jìn)行設(shè)計(jì),,芯片主頻為1 GHz,,內(nèi)存為512 MB,程序Flash空間   為8 MB,,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)Flash空間為128 MB,。管理中心電源由外部5 V電源供電。通過485總線,,可以實(shí)現(xiàn)對管理中心的WiFi等參數(shù)的配置,。管理中心也可以通過485總線讀取其他設(shè)備的數(shù)據(jù)。完成配置后,,管理中心WiFi登錄網(wǎng)關(guān)的訪問點(diǎn),,加入WiFi網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)PAD也加入室內(nèi)的WiFi網(wǎng)絡(luò),,PAD可以通過WiFi通道對管理中心進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和用電方案的設(shè)置,,以及讀取用電數(shù)據(jù)等。

  3.2 管理中心的軟件設(shè)計(jì)

  管理中心的軟件基于Linux內(nèi)核,,采用C++編程語言進(jìn)行開發(fā),。Linux是一套免費(fèi)使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng),是一個(gè)基于POSIX和Unix的多用戶,、多任務(wù),、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。Linux的內(nèi)核精簡而高效,,可修改性強(qiáng),,支持多種體系結(jié)構(gòu),而且具有非常好的網(wǎng)絡(luò)性能[11],,同時(shí)免費(fèi)使用也使得Linux操作系統(tǒng)越來越多地用于嵌入式軟件開發(fā),。

  與傳統(tǒng)的智能家居不同的是,本管理中心中加入了對用電量的采集和控制功能,。用電量采集的UML序列圖如圖4所示,。

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  廣播凍結(jié)的方式使得各終端的電量凍結(jié)時(shí)間高度一致,保證統(tǒng)計(jì)精確度,。管理中心內(nèi)部有實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片,,在掉電情況下利用電池對實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片供電,保證實(shí)時(shí)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性,。用戶可以根據(jù)需要設(shè)置凍結(jié)的時(shí)間間隔,,得到相應(yīng)的用電曲線。

  當(dāng)用戶需要了解用電情況時(shí),,可以用電腦主站軟件通過以太網(wǎng)訪問管理中心的用電數(shù)據(jù),,或者使用PAD通過WiFi網(wǎng)絡(luò)訪問用電數(shù)據(jù),在電腦或者PAD上顯示出用戶的用電曲線以及用電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),。用戶可以根據(jù)用電情況制定相應(yīng)的用電方案,。

4 終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

  終端產(chǎn)品主要包括智能開關(guān)和智能插座等產(chǎn)品,,同時(shí)也可以接入其他WiFi或ZigBee設(shè)備。智能開關(guān)與智能插座可以實(shí)現(xiàn)對電器產(chǎn)品的通斷電控制,,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對電器用電的檢測和用電情況的上傳,。

  4.1 硬件設(shè)計(jì)

  由于智能開關(guān)與智能插座內(nèi)的空間有限,要實(shí)現(xiàn)諸多功能,,硬件計(jì)量采用了單芯片計(jì)量方案,,采用V9811芯片作為主芯片。V9811與ZigBee模塊之間通過UART口通信,。

  硬件架構(gòu)圖如圖5所示,。

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  V9811是一款單相電能計(jì)量SoC芯片,它集成了模擬前端,、電能計(jì)量模塊,、增強(qiáng)型8052內(nèi)核、RTC,、WDT、Flash,、SRAM和LCD驅(qū)動(dòng)等功能,,可為單相多功能電能計(jì)量提供單芯片解決方案。V9811芯片具有128 KB的Flash存儲(chǔ)器,,具有寫保護(hù)和加密功能,,支持ISP和IAP,具有4 KB外部SRAM存儲(chǔ)器,。

  電壓使用電阻分壓電路進(jìn)行采樣,,電流使用錳銅分流器進(jìn)行采樣,V9811芯片采用UART口與ZigBee模塊進(jìn)行通信,,液晶顯示使用V9811集成的LCD驅(qū)動(dòng)進(jìn)行顯示(智能開關(guān)沒有液晶顯示),。

  4.2 軟件設(shè)計(jì)

  軟件設(shè)計(jì)代碼采用C編程語言進(jìn)行編寫。端口主要有調(diào)制型紅外端口和ZigBee串口,。當(dāng)累計(jì)夠0.01 kWh時(shí),,累計(jì)電量。當(dāng)發(fā)現(xiàn)掉電事件時(shí),,把電量存儲(chǔ)進(jìn)EEPROM中,,保證電量掉電不丟失。在智能開關(guān)中,,沒有數(shù)據(jù)顯示,。

  計(jì)量終端實(shí)現(xiàn)對用電量的計(jì)量,當(dāng)收到管理中心的控制或者查詢命令時(shí),,實(shí)現(xiàn)對設(shè)備用電的控制和用電情況查詢,。當(dāng)檢測到用電異常時(shí),,計(jì)量終端向管理中心上報(bào)用電異常情況。

5 系統(tǒng)運(yùn)行效果

  系統(tǒng)運(yùn)行中,,WiFi與ZigBee通信均正常,,沒有出現(xiàn)堵塞或者斷線情況。使用本家庭能源管理系統(tǒng)后,,用戶不但可以使用PAD,、手機(jī)或遠(yuǎn)程主站控制自己的家用電器通斷電,還能觀察自己家庭的用能曲線圖,,以及各種電器的用電組成,。從PAD上看到的家庭用電情況如圖6所示。

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6 結(jié)論

  本文實(shí)現(xiàn)了一種基于智能用電的智能家居方案,。方案通過WiFi和ZigBee無線通信作為室內(nèi)通信方案,,采用智能開關(guān)和智能插座用來控制和計(jì)量室內(nèi)各線路的用電量,管理中心定時(shí)采集各智能開關(guān),、智能插座的用電數(shù)據(jù),,生成用電曲線,方便用戶得到用電詳細(xì)清單,,同時(shí)實(shí)現(xiàn)智能用電,。

參考文獻(xiàn)

  [1] 彭金華,舒少龍,,林峰,,等.家庭能耗管理系統(tǒng)研究綜述[J].電力需求側(cè)管理,2011,,13(1):35-38.

  [2] GB/T15316-2009節(jié)能監(jiān)測技術(shù)通則[S].2009.

  [3] GB/T28750-2012節(jié)能量測量和驗(yàn)證技術(shù)通則[S].2012.

  [4] 國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)則[S].2008.

  [5] 趙虹鈞.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].上海:上海交通大學(xué),,2007.

  [6] 蘇詩薦,章杰,,林培杰,,等.一種即插即用的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,,33(22):4-7.

  [7] 黃劍文,,嚴(yán)宇平.基于聚類集成的用戶負(fù)荷模式識別[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2014,,31(12):237-241.

  [8] 金純,,陳林星,楊吉云.IEEE 802.11無線局域網(wǎng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,,2004.

  [9] 馬菁菁.ZigBee無線通信技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),,2007.

  [10] 高鍵,方濱,,尹金玉,,等.ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,,2008,16(12):1912-1914.

  [11] 王亞軍,,劉金剛.Linux運(yùn)用于嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,,2005(5):102-104.


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