基于實時電能采集的家庭用電管理系統(tǒng)

劉迎澍，史成豪

（天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072）

基于實時電能采集的家庭用電管理系統(tǒng)

劉迎澍，史成豪

（天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072）

為了更加方便、高效的實現(xiàn)對智能家居中用電設(shè)備的實時監(jiān)測和控制，設(shè)計了一種基于實時電能采集的家庭用電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32嵌入式系統(tǒng)作為主控制器，包括GSM、電能采集、無線通信和信息存儲等模塊，可實現(xiàn)對用電負(fù)荷的電能信息的實時采集、存儲、處理和短信報警等功能。同時，用戶還可以根據(jù)自己的需要，利用GSM網(wǎng)絡(luò)，通過手機(jī)短信的方式，實現(xiàn)對家用電器的實時智能化管理和遠(yuǎn)程控制。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)通信可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足智能家居的需要。

智能家居；實時監(jiān)測；GSM；遠(yuǎn)程控制

由于在能源利用、環(huán)境效益和供電靈活性等方面的優(yōu)勢，分布式發(fā)電得到越來越高的重視，并逐漸被推廣應(yīng)用到家庭用戶中，智能化的家庭用電系統(tǒng)也成為智能電網(wǎng)中的一個重要的積極參與者[1]。但大量的分布式電源和儲能設(shè)備的使用，使得智能家居中的用電負(fù)荷監(jiān)測和需求側(cè)管理面臨新的挑戰(zhàn)[2-3]。同時，現(xiàn)有的家庭安全防護(hù)設(shè)備只能對家庭用電進(jìn)行整體計量和整體線路保護(hù)，缺少智能化的斷電保護(hù)管理功能且無數(shù)據(jù)存儲功能，難以滿足智能家居系統(tǒng)對用電安全高效、智能控制、精細(xì)化管理的要求[4-8]。

針對分布式電源和儲能設(shè)備的接入以及現(xiàn)有家庭安全防護(hù)設(shè)備對家居生活的智能化帶來的問題，利用成熟可靠的GSM通信技術(shù)[9-10]，選用STM嵌入式系統(tǒng)為主控制器設(shè)計了一種基于實時電能采集的家庭用電管理系統(tǒng)。它能夠?qū)崟r監(jiān)測家庭中用電設(shè)備的各項電能參數(shù)，并可設(shè)定各用電設(shè)備的保護(hù)功率，當(dāng)用電設(shè)備超出保護(hù)功率時將啟動報警并自動切除該設(shè)備，用戶還可以使用隨身攜帶的手機(jī)實時了解家庭詳細(xì)用電信息，并根據(jù)需要進(jìn)行主動管理，如回家路上提前開啟空調(diào)設(shè)備調(diào)節(jié)好室內(nèi)溫度等，實現(xiàn)了對家庭用電設(shè)備的智能化控制與管理。

1 總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)由電能信息采集子系統(tǒng)和監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中電能信息采集子系統(tǒng)包括信息采集模塊和無線通信模塊，主要完成對家庭用電設(shè)備的電能參數(shù)的采集、上傳，以及接收主控制器指令并驅(qū)動繼電器動作，實現(xiàn)控制終端用電負(fù)荷工作狀態(tài)的目的。

監(jiān)控子系統(tǒng)包括手機(jī)終端，GSM模塊和主控制器及其外圍模塊。監(jiān)控子系統(tǒng)采用STM32為主控核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制各模塊的工作；從家庭實際應(yīng)用場景和靈活布局角度考慮，采用無線方式與各節(jié)點通信，完成對信息采集子系統(tǒng)上傳信息的存儲顯示，并對數(shù)據(jù)做出分析和處理。當(dāng)檢測到用電設(shè)備出現(xiàn)異常用電情況，主控制器則驅(qū)動蜂鳴器報警并通過無線通信模塊向采集子系統(tǒng)發(fā)送控制命令斷開相應(yīng)用電設(shè)備，同時通過GSM模塊向用戶手機(jī)發(fā)送警報信息，系統(tǒng)恢復(fù)正常后解除蜂鳴器警報狀態(tài)。當(dāng)GSM模塊接收到用戶短信命令，主控制器則對GSM模塊收到的短信進(jìn)行解析并做出相應(yīng)處理，實現(xiàn)對家庭用電設(shè)備工作狀態(tài)的實時查詢和遠(yuǎn)程控制。當(dāng)SIM卡中的短信數(shù)量達(dá)到50條后，主控制器發(fā)送清除短信命令以保證GSM模塊和整個系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

2.1 STM主控制器及外圍電路

經(jīng)過對比，本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6作為主控制器。它不僅有豐富的硬件資源，還有便于開發(fā)應(yīng)用的固件庫，適合于智能家居、電機(jī)驅(qū)動、工業(yè)控制等多種應(yīng)用場合[11]。主控制器外圍包括SD存儲，LCD顯示，無線通信等模塊。為了配合其他模塊的供電并考慮主控制器自身供電情況，利用AMS1117設(shè)計了一個電壓轉(zhuǎn)換電路，為系統(tǒng)提供所需的3.3 V工作電壓。STM32外圍模塊如圖2所示。

圖2 STM32外圍電路

存儲模塊：系統(tǒng)采用SD卡對采集模塊上傳的大量用電數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各種狀態(tài)量進(jìn)行存儲。主控制器移植了FATFS文件系統(tǒng)對用電數(shù)據(jù)分類細(xì)化管理，使用時只需調(diào)用應(yīng)用層的接口函數(shù)就可完成對文件的讀寫等操作，并調(diào)取系統(tǒng)內(nèi)部時鐘模塊，對每個用電設(shè)備設(shè)置編號建立一個TXT格式的文件，把獲取的實時電能數(shù)據(jù)都完整保存記錄下來，便于掌握家庭負(fù)荷用電規(guī)律和實現(xiàn)故障追憶的功能。主控制器采用SPI方式與其進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，最高通信速度可達(dá)24 MHz，滿足系統(tǒng)存儲和讀取數(shù)據(jù)需要。

顯示模塊：主控制器外圍擴(kuò)展了一塊TFTLCD顯示屏，用于顯示各用電設(shè)備的電能信息以及系統(tǒng)與用戶通信控制狀態(tài)。該模塊采用16位的并方式直接與主控制器的FSMC接口相連，有效提高了數(shù)據(jù)更新速率和顯示效果。顯示模塊的背光控制線接于主控制器PB0管腳，RST控制線和主控制器復(fù)位引腳相連，可與系統(tǒng)同時復(fù)位。模塊的RS管腳用于區(qū)分傳送的數(shù)據(jù)和命令，為1時表示讀寫數(shù)據(jù)，為0時表示讀寫命令。

無線通信模塊：本系統(tǒng)選用LT8900實現(xiàn)無線通信，片上的發(fā)射接收FIFO寄存器可以和MCU進(jìn)行通信，傳輸速度可以達(dá)到1Mbps，內(nèi)置CRC和重傳機(jī)制并支持跳頻，可同時接收6個不同頻率通道的數(shù)據(jù)包適合于1：6星形網(wǎng)絡(luò)的6數(shù)據(jù)通道。

2.2 GSM通信模塊

GSM模塊是系統(tǒng)主控制器與用戶手機(jī)進(jìn)行信息交互的關(guān)鍵部分，本文選用SIM900A承擔(dān)此任務(wù)，它具有自動串口波特率識別功能（識別范圍：1 200～115 200），并支持RS232串口和LVTTL串口，方便與單片機(jī)連接使用。

GSM模塊及外圍電路如圖3所示，本模塊選擇SP3232作為電平轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)與主控制器直接相連的RS232串口電路，設(shè)計SMA天線接口用于連接外部天線，有效提高了模塊的通信質(zhì)量，并帶有SIM卡外接電路，開關(guān)機(jī)按鍵和后備電池等模塊。

圖3 GSM及外圍電路

2.3 信息采集模塊

信息采集模塊是整個系統(tǒng)工作的重要組成部分，承擔(dān)著用電設(shè)備的電能測量和數(shù)據(jù)雙向傳輸功能。針對家庭常用電器設(shè)備，電能參數(shù)采集工作選擇由專用電能計量芯片RN8209來完成，芯片包括三路ADC，并有電壓通道頻率檢測和電壓通道過零檢測，有功電能誤差的動態(tài)范圍小于0.1%，可以精確地采集電流、電壓、頻率、電能等多種交流電氣參數(shù)[12-13]。

圖4 RN8209外圍電路

RN8209采集電路設(shè)計如圖4所示，火線電流LA經(jīng)互感器變換后由采樣電阻進(jìn)入V1通道，零線電流NA經(jīng)分流電路后進(jìn)入V2通道，線電壓VIN_L經(jīng)電阻分壓電路進(jìn)入電壓采集通道，RN8209對信號進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再經(jīng)過相位校正計算出電能、電流、電壓等數(shù)據(jù)。采集得到的數(shù)據(jù)由一片8位低功耗單片機(jī)UPD78F9224處理后經(jīng)無線通信芯片來完成上傳工作。

2.4 其他模塊設(shè)計

開關(guān)驅(qū)動模塊：開關(guān)驅(qū)動模塊用于通過弱電控制家庭用電設(shè)備供電的通斷，實現(xiàn)主動判斷和控制的功能，本模塊采用固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器由電能采集模塊的單片機(jī)I/O引腳控制，當(dāng)I/O輸出為低電平時，繼電器閉合，用電設(shè)備正常工作。當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)異常時，I/O輸出高電平，繼電器斷開，用電設(shè)備斷電。

報警模塊：主控制器載有一個電磁式有源蜂鳴器，由一個NPN三極管來驅(qū)動，因此主控制器的IO可直接控制其工作。由主控器的PB8管腳輸出控制信號，當(dāng)采集到的用電設(shè)備參數(shù)超過限定值時此管腳變?yōu)楦唠娖?，使蜂鳴器發(fā)出警報提示異常情況，對該設(shè)備處理或系統(tǒng)復(fù)位后恢復(fù)正常狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 通信方案

用戶要實現(xiàn)短信控制用電設(shè)備，需要設(shè)置一個控制協(xié)議來規(guī)定短信指令的格式，以便主控制器獲取短信后能夠識別短信的含義[14]。GSM模塊的短信息業(yè)務(wù)利用信令信道傳輸，把要發(fā)送的用電設(shè)備開關(guān)指令或控制結(jié)果信息加上目的地址發(fā)送到短信息服務(wù)中心，經(jīng)短信服務(wù)中心完成存儲后再發(fā)送給最終的信宿。SIM900A支持標(biāo)準(zhǔn)AT命令[15-20]，通過發(fā)送不同的AT指令，就可以實現(xiàn)對SIM900A的各種控制，相關(guān)AT命令及功能見表1。必須注意的是，用單片機(jī)實現(xiàn)時，它發(fā)送與接收到的響應(yīng)都是UNICODE編碼的字符串,因此主控制器解讀中英文短信需要把GBK字庫和UNICODE字庫復(fù)制到SD卡根目錄以便進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換。

表1 AT指令簡介

3.2 主程序設(shè)計

主程序的流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電之后，首先完成對STM32主控制器、無線芯片狀態(tài)配置、SD卡、LCD和GSM等模塊的初始化工作。然后，STM32主控單元調(diào)用各個子函數(shù)對各個模塊進(jìn)行循環(huán)查詢和控制，并用LCD顯示屏顯示。通過無線通信模塊獲取采集模塊得到家庭各個用電設(shè)備的實時電能信息，根據(jù)電能參數(shù)限定值判斷用電設(shè)備是否工作異常，若出現(xiàn)異常，則主控器驅(qū)動蜂鳴器報警并且相應(yīng)采集模塊的IO引腳輸出高電平控制繼電器斷開，同時發(fā)短信通知用戶；若無異常，系統(tǒng)則正常輪詢各個模塊狀態(tài)。用戶可以根據(jù)自己的需要發(fā)送短信對家中用電設(shè)備進(jìn)行控制，系統(tǒng)的GSM模塊隨時檢測是否有新短信到來，若收到用戶短信，主控單元將對該短信進(jìn)行解讀，然后發(fā)送控制命令到電能信息采集子系統(tǒng)，控制對應(yīng)IO口輸出高低電平，來驅(qū)動繼電器完成所要求動作，操作完成后則返回短信通知用戶。短信收發(fā)操作完成后，主控器記錄當(dāng)前短信數(shù)量，若達(dá)到上限值則GSM模塊清除存儲區(qū)確保系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定工作，最后更新LCD顯示并繼續(xù)輪詢各模塊工作狀態(tài)。此外，對系統(tǒng)設(shè)置復(fù)位操作防止系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)或其他不能正常工作現(xiàn)象。

圖5 主程序流程圖

4 實驗測試

為了測試本系統(tǒng)的整體工作效果，我們將5個采集模塊接入插座、重要線路等位置，然后接入空調(diào)、冰箱和洗衣機(jī)等家用設(shè)備，采集模塊對用電設(shè)備完成電能信息的實時采集和上傳工作以便后續(xù)存儲、分析；通過手機(jī)終端發(fā)送短信指令控制用電設(shè)備的工作狀態(tài)，發(fā)“NUM1_ON”，NUM1設(shè)備開啟，用戶手機(jī)收到短信“NUM1 開啟成功”；發(fā)“NUM1_OFF”，NUM1設(shè)備斷開，用戶收到短信“NUM1斷開成功”。其中空調(diào)工作過程中系統(tǒng)記錄的實時電能參數(shù)曲線如圖6所示，短信控制用電設(shè)備測試結(jié)果如表2所示，實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)通信可靠，各部分可協(xié)調(diào)穩(wěn)定工作，控制效果良好。

圖6 空調(diào)電能信息曲線

表2 短信控制用電設(shè)備實驗結(jié)果

5 結(jié) 論

文中采用STM32為主控制器，設(shè)計了一種基于實時電能采集和GSM的家庭用電管理系統(tǒng)，解決了由于分布式能源和儲能設(shè)備的接入以及需求側(cè)管理給智能家居系統(tǒng)中的采集和管理帶來的困難，實現(xiàn)了對智能家居中用電負(fù)荷的實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。經(jīng)實驗測試，本系統(tǒng)簡便可行，數(shù)據(jù)通信可靠、及時，為實現(xiàn)家庭用電的在線監(jiān)測和智能控制提供了可靠低成本的解決方案，在智能家居和智能樓宇等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

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Home energy management system based on real time electric energy acquisition

LIU Ying-shu，SHI Cheng-hao
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

In order to realize the real time monitoring and control of the electric equipment in the smart homemore conveniently and efficiently，a kind ofhome energy managementsystem based on real time electric energy acquisition is designed.The system uses the STM32 embedded system as the main controller，including GSM，electric energy data acquisition，wireless communication and information storage and other modules，which can achieve the functionsof real-time data acquisition，storage，processing and text messages warning on electricity load power information.According to their own needs，the households can use the GSM network and send text messages to home appliances for achieving real-time intelligent management and remote controlthrough mobile phone.The experimental results show that the system is reliable in communications and stable in operation，meeting the requirements of the smart home.

smart home；real-time monitoring；GSM；remote control

TN92

：A

：1674－6236（2017）14-0156-06

2016-06-25稿件編號：201606195

劉迎澍（1971—），男，天津人，博士，副教授。研究方向：基于Web的信息與控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用、智能電網(wǎng)方面。