基于LiteOS的家庭智慧能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹敏++暴海峰++魏齡++楊映春++李祥++趙旭

摘 要隨著電動(dòng)汽車、太陽能屋、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推行與普及，居民作為能源消費(fèi)者的同時(shí)還能充當(dāng)能源生產(chǎn)者，如何將家庭用電與電網(wǎng)能源調(diào)撥進(jìn)行互通將是智能電網(wǎng)建設(shè)必經(jīng)之路。設(shè)計(jì)一套基于LiteOS的家庭智慧能源管理系統(tǒng)，除家用電器之外，還能與能源機(jī)器、住宅設(shè)備儀器、電動(dòng)汽車、家庭網(wǎng)關(guān)、雙向電表相連接，實(shí)現(xiàn)家庭能源管理與電網(wǎng)能源調(diào)度雙向互動(dòng)。設(shè)計(jì)方案以STM32F439為硬件平臺(tái)，以LiteOS為軟件平臺(tái)，采用4G或Wi-Fi實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信鏈路，藍(lán)牙點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本地通信鏈路，將ZigBee/433/315/紅外和RS485分級(jí)劃分通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)部通信，對(duì)家庭基于統(tǒng)一協(xié)議的采集控制，構(gòu)建家庭智慧能源管理系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】LiteOS STM32F439 智能電網(wǎng) 能源調(diào)度 ZigBee/433/315/紅外

1 引言

家庭能源管理市場(chǎng)是一個(gè)有待挖掘的金礦。從電網(wǎng)側(cè)來看，居民能源消耗是能源消費(fèi)的重要組成部分，并隨著生活水平的提升大幅增加，比重越來越大，隨著新能源技術(shù)發(fā)展，居民也將成為能源生產(chǎn)者，如何管理家庭能源調(diào)度，也將成為下一步建設(shè)方向，智能化管理家庭能源消費(fèi)有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益；從家庭來看，能源消費(fèi)是社會(huì)的重要部分，家用電器越來越復(fù)雜，每月耗電量越來越大，管理能源使用情況逐漸成為大多數(shù)家庭共同的問題。所以非常有必要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種智能化、人性化的現(xiàn)代化家庭智慧能源管理系統(tǒng)。

家庭智慧能源管理系統(tǒng)可以定義為是采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)將各種家用設(shè)備有機(jī)地通過網(wǎng)絡(luò)連接起來組成一個(gè)整體。目前，通過現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)我們可以發(fā)現(xiàn)，華為的LiteOS提供藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi、以太網(wǎng)等常用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議集成接口，可以更好實(shí)現(xiàn)家庭智慧能源管理系統(tǒng)建設(shè)工作。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

家庭智慧能源管理系統(tǒng)將對(duì)住宅內(nèi)設(shè)備儀器、家用電器、電動(dòng)汽車、能源設(shè)備、負(fù)荷開關(guān)等進(jìn)行管理，能源管理終端作為家庭智慧能源管理系統(tǒng)的心臟，負(fù)責(zé)家庭能源設(shè)備管理、能源設(shè)備狀態(tài)上送、雙向電表電量監(jiān)測(cè)和控制策略下發(fā)等，如圖1所示。

根據(jù)功能特點(diǎn)，系統(tǒng)有三部分組成：以STM32F429微處理器、物聯(lián)網(wǎng)模塊組成的家庭智慧能源管理終端；基于ZigBee通信的能源管理分子終端；用于家庭能源和策略管理的監(jiān)控平臺(tái)。

（1）數(shù)據(jù)采集單元將家庭內(nèi)部的各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給STM32F429微控制器，由微控制器完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和處理、參數(shù)的設(shè)定和自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（2）能源管理的分子終端通過ZigBee將能源設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至能源管理終端，同時(shí)接收能源管理終端的控制命令來實(shí)施相應(yīng)控制策略。例如電動(dòng)汽車交流充電盒作為電動(dòng)汽車交流充電引導(dǎo)裝置，在用電低谷時(shí)候可引導(dǎo)車進(jìn)行充電，同時(shí)監(jiān)測(cè)充電電流、功率等參數(shù)。

（3）監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)也負(fù)責(zé)手機(jī)APP與能源管理終端信息交互。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，能源管理終端作為室內(nèi)能源管理的核心，各能源設(shè)備通過ZigBee與能源管理終端進(jìn)行連接。其中，對(duì)于家庭常規(guī)的能源設(shè)備，我們可通過萬能遙控器（可將ZigBee信號(hào)進(jìn)行解包轉(zhuǎn)成433/315、紅外）對(duì)遙控器進(jìn)行學(xué)習(xí)后融入系統(tǒng)進(jìn)行控制。對(duì)家庭充電樁，可通過ZigBee監(jiān)控網(wǎng)關(guān)，將充電樁與能源管理終端間進(jìn)行連接，家庭交流充電樁大多只有充電引導(dǎo)和計(jì)量作用，可以輕松實(shí)現(xiàn)充電樁充電控制。針對(duì)家庭太陽能系統(tǒng)，我們只需關(guān)心當(dāng)前儲(chǔ)能情況和發(fā)電量，而大部分太陽能通信系統(tǒng)都是基于IEC61850，可通過ZigBee監(jiān)控網(wǎng)關(guān)，將我們需要信息提出后與能源管理終端進(jìn)行交互。

2.2 內(nèi)網(wǎng)組建方式

家庭智慧能源管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)。外部網(wǎng)絡(luò)指的是家庭網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的連接；家庭內(nèi)網(wǎng)是指家庭電器設(shè)備與家庭網(wǎng)關(guān)組建的網(wǎng)絡(luò)。目前，物聯(lián)網(wǎng)的通信分有線和無線兩種模式，主流的有Ethernet、 Wi-Fi、RFID、NFC（近距離無線通信）、Zigbee、6LoWPAN（IPV6低速無線版本）、Bluetooth、GSM、GPRS、GPS、3G、4G等。智能家居網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的組建方式一般有無線和有線兩種。由于考慮到現(xiàn)代家庭的家用電器比較多，并且要保證能夠靈活移動(dòng)各種家用電器，采用無線組建的家庭網(wǎng)絡(luò)是最好的選擇。

本設(shè)計(jì)中，家庭智慧能源管理系統(tǒng)的內(nèi)網(wǎng)組建采用距離近、復(fù)雜度低、功耗低的ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。ZigBee技術(shù)是一種雙向無線通訊技術(shù)，它與電子設(shè)備之間是周期性、間歇性、低反應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸方式，符合智能家居內(nèi)部通信的要求。

為了和目前大多數(shù)家用電器兼容，我們引入了ZigBee轉(zhuǎn)射頻（433/315）、紅外萬能遙控器，可將已有家電的遙控器進(jìn)行學(xué)習(xí)后通過手機(jī)進(jìn)行控制。

2.3 系統(tǒng)通信協(xié)議

通信協(xié)議主要分為兩部分：家庭內(nèi)網(wǎng)通信協(xié)議和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議。

在當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議中，HTTP協(xié)議由于開發(fā)成本低，開放程度高，幾乎占據(jù)大半江山，所以很多廠商在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)也基于http協(xié)議進(jìn)行開發(fā)。

HTTP協(xié)議是典型的CS通訊模式，由客戶端主動(dòng)發(fā)起連接，向服務(wù)器請(qǐng)求XML或JSON數(shù)據(jù)。該協(xié)議最早是為了適用web瀏覽器的上網(wǎng)瀏覽場(chǎng)景和設(shè)計(jì)的，目前在PC、手機(jī)、pad等終端上都應(yīng)用廣泛，但并不適用于物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。在物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中其有三大弊端：

（1）由于必須由設(shè)備主動(dòng)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，難以主動(dòng)向設(shè)備推送數(shù)據(jù)。對(duì)于單單的數(shù)據(jù)采集等場(chǎng)景還勉強(qiáng)適用，但是對(duì)于頻繁的操控場(chǎng)景，只能推過設(shè)備定期主動(dòng)拉取的的方式，實(shí)現(xiàn)成本和實(shí)時(shí)性都大打折扣。

（2）安全性不高。web的不安全都是婦孺皆知，HTTP是明文協(xié)議，在很多要求高安全性的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，如果不做很多安全準(zhǔn)備工作（如采用https等），后果不堪設(shè)想。

（3）不同于用戶交互終端如pc、手機(jī)，物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中的設(shè)備多樣化，對(duì)于運(yùn)算和存儲(chǔ)資源都十分受限的設(shè)備，http協(xié)議實(shí)現(xiàn)、XML/JSON數(shù)據(jù)格式的解析，都是不可能的任務(wù)。

針對(duì)上述問題，我們對(duì)MQTT、DDS、AMQP、XMPP、JMS、REST、CoAP等物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)MQTT協(xié)議的兼容性相比較強(qiáng)，因此本系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議選用MQTT。

而本地通信協(xié)議，我們采用類FT1.2可變幀長(zhǎng)幀格式和FT1.2固定幀長(zhǎng)幀格式進(jìn)行報(bào)文傳輸，其說明如表1、表2所示。

其中，控制域（C）如表3所示。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

采用STM32F439作為主控模塊MCU，自帶1024KBFLASH，256KB的SRAM。外擴(kuò)32M字節(jié)W9825G6KH作為SDRAM，外擴(kuò) 512M字節(jié)MT29F4G08作為NANDFLASH，外擴(kuò)32M字節(jié)W25Q256作為SPIFLASH，外擴(kuò)256字節(jié)。其中STM32F439是意法半導(dǎo)體STM32的高端產(chǎn)品，采用最新的180MHz的ARM Cortex-M4處理器內(nèi)核，具備8路UART接口。

3.2 4G遠(yuǎn)程通信模塊

本系統(tǒng)以STM32F439微處理器為主控模塊，將STM32F439與4G模塊通過串口連接后進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，將家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控端。用戶可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式對(duì)家庭內(nèi)部的家電設(shè)備進(jìn)行控制，例如對(duì)窗簾控制，對(duì)空調(diào)溫度、濕度的設(shè)置等。系統(tǒng)采用有人物聯(lián)網(wǎng)的全網(wǎng)通USR-LTE-7S4 4GDTU模塊，該模塊具有內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議、HTTPClient協(xié)議、低功耗、尺寸小、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。將STM32F439的UART2與USR-LTE-7S4串口進(jìn)行交叉連接后，STM32F439發(fā)送AT命令對(duì)4G DTU進(jìn)行操作，如圖3所示。

3.3 Wi-Fi通信模塊

目前市面Wi-Fi模塊層出不窮，在選擇Wi-Fi模塊時(shí)，考慮到本系統(tǒng)STM32F439串口充足，不存在接口緊缺問題，我們從Wi-Fi連接配置要盡可能方便、快捷、有效入手。選擇了安可信科技開發(fā)的ESP8266，該核心處理器在較小尺寸封裝中集成了業(yè)界領(lǐng)先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU，帶有 16 位精簡(jiǎn)模式，主頻支持 80 MHz 和 160 MHz，支持 RTOS，集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA。同時(shí)，該芯片支持SmartConfig一鍵配置技術(shù)，極大減少了Wi-Fi連接配置負(fù)擔(dān)。

3.4 藍(lán)牙通信模塊

目前藍(lán)牙版本有2.0和4.0，Android手機(jī)對(duì)藍(lán)牙2.0和4.0都支持，當(dāng)蘋果手機(jī)只支持藍(lán)牙4.0，因此我們選擇TI公司的CC2541藍(lán)牙4.0芯片。

CC2541是一款針對(duì)Bluetooth低能耗以及私有2.4-GHz應(yīng)用的功率優(yōu)化的真正片載系統(tǒng)（SoC）解決方案。它使得使用低總體物料清單成本建立強(qiáng)健網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成為可能。CC2541將領(lǐng)先RF收發(fā)器的出色性能和一個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存存儲(chǔ)器、8-KBRAM和很多其它功能強(qiáng)大的特性和外設(shè)組合在一起。CC2541非常適合應(yīng)用于需要超低能耗的系統(tǒng)。這由多種不同的運(yùn)行模式指定。運(yùn)行模式間較短的轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)一步使低能耗變?yōu)榭赡堋?/p>

本系統(tǒng)為藍(lán)牙CC2541開發(fā)兩個(gè)GATT服務(wù)，一個(gè)用于數(shù)據(jù)的透?jìng)?，一個(gè)用于藍(lán)牙模塊的配置。

3.5 ZigBee通信模塊

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。主要特點(diǎn)是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、匯聚節(jié)點(diǎn)（Router）、傳感器節(jié)點(diǎn)（EndDevice）等三種角色。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

本系統(tǒng)選擇TI的CC2530 ZigBee芯片，C253x設(shè)備系列使用的8051CPU內(nèi)核是一個(gè)單周期的8051兼容內(nèi)核。它有三個(gè)不同的存儲(chǔ)器訪問總線（SFR、DATA和CODE/XDATA），以單周期訪問SFR、DATA和主SRAM。ADC支持7到12位的分辨率，提供兩個(gè)USART接口。這在各能源分子終端中，能滿足基本繼電控制和傳感數(shù)據(jù)采集的需求。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 嵌入式平臺(tái)搭建

嵌入式操作系統(tǒng)選用源代碼開發(fā)的華為L(zhǎng)iteOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。官方提供的華為L(zhǎng)iteOS的操作系統(tǒng)自帶了STM32F429工程，工程可通過MDK進(jìn)行繼續(xù)開發(fā)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的核心在于心跳時(shí)鐘設(shè)定，因STM32F429與STM32F439定時(shí)器寄存器相同，所以STM32F429的工程可用于STM32F439進(jìn)行開發(fā)。

4.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的作用是使硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)相互通信。ST公司為STM32F439提供了芯片估計(jì)，因此驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)主要是通過微處理器的UART、SPI、SDIO等接口發(fā)送命令或接收數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)中，我們?yōu)?G、藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee模塊建立基于設(shè)備的初始化、釋放、讀、寫、狀態(tài)檢查和處理硬件設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤等應(yīng)用接口函數(shù)。

4.3 消息路由算法設(shè)計(jì)

能源管理終端的核心在于將監(jiān)控平臺(tái)下發(fā)的指令路由到各分子終端，獲取分子終端封包后統(tǒng)一上傳。

本系統(tǒng)中，我們分別建立靜態(tài)的地址和命令轉(zhuǎn)換表，當(dāng)攜帶有設(shè)備和命令標(biāo)識(shí)的 MQTT指令到達(dá)后，我們通過查找表獲得分子終端地址和命令，進(jìn)行報(bào)文重組，通過ZigBee模塊向下發(fā)送。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)能夠利用天氣信息與傳感器找到多余的能耗源，并通過對(duì)家用電器的控制達(dá)到節(jié)約能耗的目的。另外，在家用能源機(jī)器的使用上，當(dāng)太陽能光板的發(fā)電量出現(xiàn)剩余時(shí)，系統(tǒng)可以指示蓄電池開始儲(chǔ)能、熱泵熱水器燒熱水，或者指示電動(dòng)汽車充電樁開始充電工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力的有效利用。

家庭智慧能源管理系統(tǒng)采用“可視化”設(shè)計(jì)，能夠及時(shí)掌握家庭的用電情況，除了能讓用戶通過家里的電視或監(jiān)視器簡(jiǎn)單地了解自家的用電信息之外，還能通過手機(jī)APP對(duì)能源消耗進(jìn)行統(tǒng)一管理，根據(jù)用戶的行為習(xí)慣和天氣信息向用戶提出高效用電的可行性建議。

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作者單位

1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 云南省昆明市 650217

2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 云南省昆明市 650217

3.昆明能訊科技有限責(zé)任公 云南省昆明市 650217

4.中國(guó)南方電網(wǎng)電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 云南省昆明市 650217