基于FreeRTOS的智能用電監(jiān)控系統(tǒng)

劉迎澍，楊珂，丁緯航

（天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072）

在未來的智能電網(wǎng)架構(gòu)中，靈活互動(dòng)的智能用電管理將成為其中的重要環(huán)節(jié)。因此，研究高效、便捷的樓宇、家居智能用電管理技術(shù)，對于充分合理利用電力資源、實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理以及節(jié)能減排具有重要意義[1-3]。

為了滿足樓宇、家居智能用電管理的需要，必須實(shí)時(shí)采集各種電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如負(fù)荷電能消耗、分布式可再生能源及儲(chǔ)能單元的運(yùn)行狀態(tài)、電能質(zhì)量及報(bào)警事件等信息[4-7]。這樣一方面可以向電能向用戶展示實(shí)際的供電、用電情況；還可以通過分析樓宇、家居的具體時(shí)段用電量、具體負(fù)荷用電量、歷史用電量等信息，結(jié)合當(dāng)前市電及可再生能源的電能質(zhì)量和電價(jià)結(jié)構(gòu)，來制定、選擇合理的用電管理控制策略[8-10]。

1 智能用電監(jiān)控系統(tǒng)

面向智能樓宇和智能家居的智能用電監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)的核心是一個(gè)多功能的智能用電管理單元，也可稱為“電能網(wǎng)關(guān)”。該裝置配備交、直流電氣接口，可以連接市電、分布式電源、儲(chǔ)能單元及各種交直流負(fù)荷，并具備豐富的交、直流監(jiān)測以及通信和管理功能。

圖1 智能用電監(jiān)控系統(tǒng)框圖

智能用電管理單元由主控制、電氣接口和一組交、直流電能計(jì)量模塊構(gòu)成。主控制器由ARM Cortex-M3核心板、基本IO接口電路、人機(jī)接口模塊（帶觸摸功能的液晶屏）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊（SD卡）、以太網(wǎng)通信模塊和RS485接口構(gòu)成。各部分的主要功能如下：

1）微處理器是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6，該處理器具有功能強(qiáng)大的硬件資源以及內(nèi)容豐富的程序固件庫，非常適合于智能家電、工業(yè)控制等眾多應(yīng)用場合；

2）電氣接口相當(dāng)于一組智能插座，系統(tǒng)內(nèi)部的各種交、直流電氣設(shè)備可以直接、或通過插座間接連接到用電接口；

3）交、直流電能計(jì)量模塊的功能非常豐富，通過與電氣接口相連，即可以測量各種用電負(fù)荷的實(shí)時(shí)用電量，還可計(jì)量市電的用電量和分布式電源（如光伏電池）的發(fā)電量，而且能夠?qū)崟r(shí)測量市電和分布式電源的電壓、電流、頻率及功率因數(shù)，從而為電能用戶、以及用電管理部門提供詳實(shí)的電能信息；

4）交、直流電能計(jì)量模塊通過RS485接口將測量的電能實(shí)時(shí)信息傳輸給主控單元，后者可通過人機(jī)接口模塊（液晶屏）實(shí)時(shí)顯示各種設(shè)備的用電信息、以及電源和儲(chǔ)能單元的運(yùn)行狀況，并將這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊（SD卡），還可以通過以太網(wǎng)通信模塊將這些信息上傳。

慶歷二年，遼國以重兵壓境，求關(guān)南十縣之地。朝廷欲派人前去談判，但在廷之臣無敢行者，在此緊要關(guān)頭，有人建議富弼出使遼國，與遼國議和。而當(dāng)富弼出使回來再度使遼時(shí)，路上發(fā)現(xiàn)所受政府國書與政府口傳之辭不符，于是緊急回朝：

智能用電管理單元的硬件如圖2所示。圖中的交、直流電能計(jì)量模塊分為兩組，一組是電源側(cè)計(jì)量模塊，用于連接市電、分布式電源和儲(chǔ)能單元；另一組是負(fù)荷側(cè)計(jì)量模塊，用于連接各種交、直流負(fù)荷。

圖2 智能用電管理單元

2 基于FreeRTOS的智能用電管理軟件

2.1 智能用電管理軟件結(jié)構(gòu)

智能用電監(jiān)控系統(tǒng)的軟件可以用圖3所示的分層結(jié)構(gòu)來表示。根據(jù)軟件的功能，自下而上依次可劃分為硬件驅(qū)動(dòng)層、系統(tǒng)層、應(yīng)用服務(wù)層和應(yīng)用層。

圖3 智能用電監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

1）硬件驅(qū)動(dòng)層

該層提供ARM Cortex-M3處理器及核心板配置的基本IO驅(qū)動(dòng)程序，如SRAM與FLASH驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、HMI驅(qū)動(dòng)（液晶屏顯示及觸摸）、電源管理驅(qū)動(dòng)、以太網(wǎng)模塊驅(qū)動(dòng)、串行總線驅(qū)動(dòng)（RS485、SPI）、SD卡驅(qū)動(dòng)等。

2）系統(tǒng)層

系統(tǒng)層運(yùn)行的是具有多任務(wù)特性的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)—FreeRTOS的內(nèi)核[11-12]。系統(tǒng)層是電能監(jiān)控軟件的核心，向下為各種硬件驅(qū)動(dòng)程序提供基本的IO訪問接口，向上為電能監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的管理、調(diào)度環(huán)境。

作為一款輕量級的嵌入式操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS提供了任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄等功能。由于具有源碼公開、可移植性好、裁減方便、調(diào)度策略靈活等突出優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)reeRTOS已在智能家電、工業(yè)控制、電力系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[13-15]。

3）應(yīng)用服務(wù)層

提供與應(yīng)用程序相關(guān)的軟件驅(qū)動(dòng)模塊，如vfat文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、malloc堆內(nèi)存操作驅(qū)動(dòng)、多任務(wù)安全事務(wù)鎖驅(qū)動(dòng)、LWIP（輕量級TCP/IP協(xié)議棧）等。

4）應(yīng)用層

實(shí)現(xiàn)了基于多任務(wù)的電能計(jì)量、設(shè)備監(jiān)控及信息處理等功能，主要包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示、信息上傳及下載、用電數(shù)據(jù)分析及管理策略制定、故障檢測及報(bào)警等。

2.2 智能用電管理軟件的任務(wù)管理機(jī)制

由于FreeRTOS的硬實(shí)時(shí)特性，通過多任務(wù)機(jī)制，使電能管理系統(tǒng)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)（光伏逆變器、電池管理模塊、交、直流電能計(jì)量模塊等）的監(jiān)測與控制單獨(dú)用一個(gè)任務(wù)去完成，由操作系統(tǒng)來完成任務(wù)開銷的分配，各應(yīng)用程序模塊只需要實(shí)現(xiàn)各自的具體操作，而無需負(fù)責(zé)向底層的每個(gè)任務(wù)分配CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器等系統(tǒng)資源。

此外，F(xiàn)reeRTOS允許多個(gè)任務(wù)運(yùn)行在相同的優(yōu)先級，因?yàn)槟承┨囟ǖ膽?yīng)用情景下，并不能很嚴(yán)格的區(qū)分每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先程度，可以使用相同的優(yōu)先級，使得每個(gè)任務(wù)對于系統(tǒng)資源的占用處于平等的位置。此時(shí)程序的運(yùn)行方式類似于軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的多進(jìn)程，這是其他實(shí)時(shí)系統(tǒng)所不具備的。

在智能用電監(jiān)控系統(tǒng)中，所執(zhí)行的主要任務(wù)包括電能計(jì)量、設(shè)備監(jiān)控及信息處理等。因此可根據(jù)執(zhí)行操作的功能和對實(shí)時(shí)性的要求，將這些任務(wù)分為普通型、管理型、和應(yīng)急型3種。任務(wù)的優(yōu)先級定義為應(yīng)急型最高、管理型其次，普通型最低。各種任務(wù)的優(yōu)先級劃分原則為：

1）普通型任務(wù)

屬于電能監(jiān)控系統(tǒng)的正常操作，主要包括：采集各種用電負(fù)荷的用電量、市電電量、分布式電源的發(fā)電量以及儲(chǔ)能單元的電量；測量市電和分布式電源的電壓、電流、頻率及功率因數(shù)等狀態(tài)信息；根據(jù)用戶需要將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示輸出、通過網(wǎng)絡(luò)上傳給上位機(jī)（PC機(jī)）或電力管理部門。

2）管理型任務(wù)

此類任務(wù)為電能管理單元運(yùn)行的上層監(jiān)控算法及控制指令，主要包括：根據(jù)采集的用電、發(fā)電、儲(chǔ)能信息，結(jié)合結(jié)合當(dāng)前市電及可再生能源的電能質(zhì)量和電價(jià)結(jié)構(gòu)，來制定、選擇合理的用電管理控制策略。

3）應(yīng)急型任務(wù)

主要包括系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)生的特殊情況或故障，例如：電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)（電壓、頻率）超出規(guī)定允許范圍；設(shè)備故障及運(yùn)行狀態(tài)異常；短路及斷電等故障。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

連接到智能用電監(jiān)控系統(tǒng)的電源包括市電和光伏電池（額定功率1 kW），電氣負(fù)荷包括熱水器、PC機(jī)、咖啡壺、電燈等。這些負(fù)荷的用電參數(shù)都可以通過電能計(jì)量模塊測量，并通過智能用電管理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和現(xiàn)實(shí)輸出。

圖4 液晶屏顯示電能測量數(shù)據(jù)

圖5 熱水器實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)曲線

圖6 電腦實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)曲線

圖4為通過液晶屏顯示的某負(fù)荷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率、用電量、功率因數(shù)等。上述用電參數(shù)還可以存儲(chǔ)，并通過上位機(jī)（PC機(jī)）顯示輸出，如圖5和圖6所示的熱水器和電腦的實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)曲線。通過這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的測量及顯示，電能用戶能夠清晰、直觀、及時(shí)地了解到各種負(fù)荷的用電特性，以及電源和儲(chǔ)能單元的供電特性。

4 結(jié)論

本文研究了基于多任務(wù)、嵌入式硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS的智能用電監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于多任務(wù)、多優(yōu)先級的智能用電管理軟件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)通過各種用電設(shè)備及電源的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示及上傳、故障檢測及報(bào)警等功能，能夠?yàn)橛脩魧?shí)施智能用電管理提供豐富的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、充分合理利用電力資源的目標(biāo)。

[1]李東東，崔龍龍，林順富，等.家庭智能用電系統(tǒng)研究及智能控制器開發(fā)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（4）：123-129.

[2]王笛，高沁翔，侯軍，等.電網(wǎng)友好型家庭用電管理系統(tǒng)優(yōu)化與控制的研究[J].電測與儀表，2015，52（9）：119-124.

[3]Weiliang Zhao，Lan Ding，Cooper P，et al.Smart home electricity management in the context of local power resources and smart grid[J].Journal of Clean Energy Technologies，2014，2（1）：79-85.

[4]劉迎澍，李冰，楊峰.基于電力線載波的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013，13（8）：25-28.

[5]李衛(wèi)兵，邢曉瑩，王克會(huì).用電實(shí)時(shí)監(jiān)測保護(hù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（7）：129-131.

[6]唐松泉，趙祚喜，呂永青，等.基于嵌入式的無線智能家居近遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015（24）：166-169.

[7]王芳，顧偉，袁曉冬，等.面向智能電網(wǎng)的新一代電能質(zhì)量管理平臺(tái)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32（7）：134-139.

[8]紀(jì)盼瑩，李帥.基于Android平臺(tái)與SMS的智能家居能量管理系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013，13（12）：64-67.

[9]章鹿華，王思彤，易忠林，等.面向智能用電的家庭綜合能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電測與儀表，2010，47（9）：35-38.

[10]代家強(qiáng)，孫智卿.基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能家居能量管理系統(tǒng)開發(fā)及需求側(cè)管理應(yīng)用研究[J].陜西電力，2013，41（10）：39-43.

[11]陳紫卿，孫昕.FreeRTOS動(dòng)態(tài)軟件模塊[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2016（6）：24-28.

[12]張龍彪，張果，王劍平，等.嵌入式操作系統(tǒng)FreeRTOS的原理與移植實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2012（11）：31-34.

[13]張文亮，田沛，劉暉，等.基于FreeRTOS的lwip協(xié)議棧的移植與測試[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2015，34（11）：25-29.

[14]鄭洲.基于FreeRTOS的低成本車載影音系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015（6）：22-25.

[15]張波，田肖野，周春來.基于FreeRTOS的智能插座設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2013，49（S3）：117-120.