*基于WiFi感應的智能電源管理系統(tǒng)

李 新，徐成武，張建國，程 鵬

(太原理工大學 a.信息化管理與建設中心，b.物理與光電工程學院，太原 030024)

隨著科技的進步，不斷增加的電器使用量會不可避免地產生了許多不合理的電器使用。例如，廚房的熱水器和辦公室的電器等通常都是常開的。在晚上或者無人的時候，這些常開或待機的電器設備不僅會累計消耗許多不必浪費的電力資源，還存在一定的安全隱患。另外，一些安防攝像頭被安裝在室內，雖然可以保障室內物品或人員安全，但也存在個人隱私泄露的風險。因此，對室內數(shù)量眾多的電器設備的電源進行日?？刂坪凸芾硎且豁棻匾头爆嵉氖虑?。

在國內，很多智能插座和電源控制系統(tǒng)的研究似乎已經為上述現(xiàn)象提供了解決方案[1-4]。但大部分研究關注控制終端與控制節(jié)點之間的網絡架構，但控制方式仍然以手動控制為主。使用者必須手動通過智能手機中定制的APP才能對智能插座或者控制節(jié)點進行遠程控制。顯然，這種手動控制的解決方案難以解決日常室內電源管理的問題。但陳思運等人通過集成多傳感器的可穿戴設備可以實現(xiàn)室內用電設備的電源的自動管理[5]。在國外，MEHREEN et al將智能插座與物聯(lián)網結合在一起，通過云服務器分析智能插座反饋的電器設備的用電數(shù)據(jù)，并根據(jù)用電數(shù)據(jù)判斷電器設備的工作狀態(tài)，可以實現(xiàn)對智能插座自動控制[6]。LABEODAN et al利用熱釋電傳感器和機械接觸開關組成傳感器網絡，監(jiān)測辦公室的人員數(shù)量，動態(tài)控制辦公室的照明系統(tǒng)[7]。GUL和PATIDAR通過對大樓的能耗和人數(shù)監(jiān)測優(yōu)化大樓的能源管理策略[8]。因此，室內用電設備的日常電源管理完全可在傳感器的輔助下自動運行。

室內電器設備的電源控制邏輯其實很簡單。當有人時，電器需正常使用；當沒人時，則需斷開電器的電源。因此，自動判斷室內有人無人是實現(xiàn)智能室內電源管理的首要問題?，F(xiàn)有方法可以分別利用熱釋電傳感器、紅外對射傳感器、圖像識別、GPS定位和ZigBee感應等實現(xiàn)。熱釋電傳感器的方法最簡單，但僅能對一定距離內移動的人產生響應，具有很大的局限性，一般需要其他傳感器的輔助[7]。紅外對射傳感器的方法通過兩對紅外對射傳感器監(jiān)測進出人數(shù)，從而計算室內是否有人[8]。但該方法存在一定的誤差率，適用于可單人通過的房間。圖像識別的方法則利用攝像頭采集人進出門口的圖像，通過圖像識別計算進出的人數(shù)，進而判斷室內是否有人[9]。該方法的成本相對較高，適用于人流量大的場所。GPS定位的方法利用智能手機內的GPS傳感器提供手機使用者的位置信息，通過該位置信息確定使用者是否在特定區(qū)域[5,10]。該方法需要在智能手機安裝定制的APP，對手機有一定的要求。ZigBee感應的方法通過由人隨身攜帶的便攜式ZigBee裝置和固定在房間內的ZigBee網關協(xié)同工作來實現(xiàn)[11]。當人攜帶便攜式裝置離開網關輻射的通信范圍，便攜式裝置與網關之間的通信中斷，則認為人離開了該房間；反之，則認為人在該房間。但該方法需要人額外攜帶便攜式裝置才能工作，適用于賓館會所等區(qū)域。

如今，智能手機和無線路由器已經基本普及。手機作為人們在生活和工作中的工具，通常都被人們隨身攜帶。當人們回到家或辦公室中，手機通常會自動與室內的無線路由器的WiFi網絡相連接。反之，當人們離開后，手機也會自動與無線路由器的WiFi網絡斷開。因此，本文研究了一種基于WiFi感應的智能電源管理系統(tǒng)，利用無線路由器自動判斷室內是否有人，從而實現(xiàn)智能室內電源管理，具有智能感應、動態(tài)調節(jié)、能夠自動完成日常差異性電源管理等優(yōu)點。

1 基于WiFi感應的智能電源管理系統(tǒng)

基于WiFi感應的智能電源管理系統(tǒng)由無線路由器、手機和電源插座三部分組成。其中，無線路由器是整個系統(tǒng)的監(jiān)測控制中心，不僅提供上網所需的WiFi網絡，還實時監(jiān)測手機的WiFi連接狀態(tài)，通過WiFi連接狀態(tài)判斷室內是否有人，并在有人或者無人的場景下對電源插座進行智能控制。手機是具有WiFi連接功能的手機。由于現(xiàn)在手機都具有自動連接WiFi網絡的功能，因此，該系統(tǒng)中的手機無需安裝任何APP。電源插座是為電器設備供電的控制節(jié)點，通過WiFi網絡接受并響應無線路由器的控制指令。該系統(tǒng)的基本工作原理為：當人攜帶手機回到家中或辦公室，手機自動與室內無線路由器的WiFi網絡相連接時，無線路由器認為室內有人，通過WiFi網絡通知電源插座為電器設備供電，如圖1(a)所示。而當人攜帶手機離開后，手機自動與無線路由器的WiFi網絡斷開，無線路由器則認為室內無人，通知電源插座關閉電源，如圖1(b)所示。

圖1 工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle

2 無線路由器和APP程序設計

該系統(tǒng)中的無線路由器采用華為公司的榮耀立方WS860s，如圖2(a)所示。榮耀立方是華為公司在智能家居領域開發(fā)的第一款概念產品，集成了兩顆雙核處理器，由運存和內存分別為1G RAM和4G ROM，內嵌安卓操作系統(tǒng)，提供了WAN，LAN，HDMI，USB和SD等接口。榮耀立方將智能路由器和安卓系統(tǒng)的功能整合在一起，如圖2(b)所示。智能路由器是一個封閉的Linux系統(tǒng)，支持2.4 GHz/5 GHz雙頻千兆WiFi。而安卓系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)，版本為4.2.2，支持播放器、電視盒子和第三方APP擴展等功能。因此，榮耀立方WS860s不僅提供了本系統(tǒng)所需的路由和網絡交換的功能，而且為本系統(tǒng)實現(xiàn)自動監(jiān)測手機的WiFi連接狀態(tài)等功能提供了所需的硬件和軟件平臺。

圖2 榮耀立方WS860sFig.2 Honor Cube WS860s

榮耀立方上的第三方APP可通過Android Studio開發(fā)工具使用JAVA語言編寫實現(xiàn)。第三方APP為榮耀立方增加了實時監(jiān)測用戶手機的WiFi連接狀態(tài)，并自動向本系統(tǒng)的電源插座發(fā)送控制命令等功能，具體實現(xiàn)的流程如圖3所示。其中，由于智能路由器和安卓系統(tǒng)相互獨立部分，在安卓系統(tǒng)上運行的第三方的APP需使用榮耀立方開放的接口函數(shù)，才能調用智能路由器的功能和資源[12]。因此，若要獲取手機與榮耀立方的WiFi連接數(shù)量，就必須通過榮耀立方的SDK中的接口類GatewyApplication調用get接口函數(shù)，才能獲取網關接入網絡設備信息[13]。而返回的字符串包含了所有連接過該榮耀立方的設備名稱、類型、Mac地址和是否在線等接入設備的信息。因為曾經連接過，但當前尚未連接的設備的狀態(tài)是離線狀態(tài)，APP還需從返回的字符串中篩選出所有在線的手機的數(shù)量，才能準確地獲取用戶手機連接數(shù)。榮耀立方和電源插座之間利用基于TCP協(xié)議的Socket套接字進行通信。榮耀立方是服務器端，電源插座是客戶端。APP需使用java.net.ServerSocket類創(chuàng)建一個具有特定端口的服務器對象。由于1024后的端口可自由選擇，這里創(chuàng)建的服務器的端口為6354。為了實現(xiàn)榮耀立方能夠對多個不同的電源插座建立連接，服務器對象serverSocket需利用多線程的方式調用accept()方法啟動監(jiān)聽，等待電源插座的連接請求。accept()方法為每個向服務器對象請求連接的電源插座返回一個對應的Socket對象。APP將通過該Socket對象分別調用getInputStream()方法和getOutputStream()方法與各個電源插座實現(xiàn)雙向通信。除此以外，該APP在系統(tǒng)初始化中還創(chuàng)建了一個交互界面，用戶可通過電視或顯示器查看用戶手機連接數(shù)和繼電器閉合的路數(shù)，并可手動對電源插座進行控制。

圖3 自動監(jiān)測是否有人和控制電源插座的APP流程圖Fig.3 Flow diagram of APP for monitoring automatically whether there are people and controlling the power socket

3 電源插座的硬件和固件設計

電源插座的硬件電路通過4個獨立的模塊搭建而成，分別是單片機模塊、WiFi模塊、繼電器模塊和電源模塊，如圖4所示。其中，單片機控制電路是一個基于單片機ATmega328的Arduino Nano開發(fā)板。ATmega328為美國Microchip公司的8位AVR單片機，集成了32kB閃存、1kB EEPROM和2 kB SRAM，支持UART、I2C和SPI串行通訊。Arduino Nano開發(fā)板為ATmega328配置了16 MHz晶振和復位電路，引出了8路模擬量輸入引腳和12路數(shù)字量引腳(其中包括ICSP串行編譯接口)，提供了電源轉換電路，還增加了FTDI公司的USB轉UART接口芯片F(xiàn)T232R，使單片機可通過USB接口與電腦通訊。WiFi模塊采用基于ESP8266的UART-WiFi模塊ESP-01.ESP8266是我國樂鑫公司的低功耗WiFi芯片，內置TCP/IP協(xié)議棧，支持無線802.11 b/g/n標準，三種工作模式(STA/AP/STA+AP)和AT指令。由于ESP8266高度集成了Tensilica 處理器、標準數(shù)字外設接口、天線開關和功率放大器等，ESP-01僅需很少的外圍元件，使可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通過串口轉成WiFi信號的透明傳輸。同時，ESP-01采用板載PCB天線，體積小巧，僅14.3×24.8 mm。這里，ESP-01和Arduino Nano通過串口相連。繼電器模塊是四路帶光耦隔離繼電器模塊。該模塊可通過跳線單獨設置每一路繼電器的高/低電平觸發(fā)方式，并且將每路繼電器的常開、常閉和公共引腳通過接線端子引出。每路繼電器的常開接口的最大交流和直流負載分別為AC 250 V/10 A和DC 30 V/10 A。繼電器模塊的4路高低電平觸發(fā)選擇端分別與Arduino Nano的4路數(shù)字量引腳相連；每路繼電器都通過跳線選擇為低電平觸發(fā)方式。四路繼電器的常閉合公共接口分別與四個導軌插座的接入端相連。電源模塊是AC-DC開關電源，外接交流220 V電源，將交流220 V轉換為5 V和3.3 V，分別為單片機模塊、WiFi模塊和繼電器模塊供電。圖4是電源插座的結構圖。上述4個模塊都被整合在一個外殼里。外殼露出4個導軌插座，可連接四路電器設備的電源。

圖4 電源插座的結構圖Fig.4 Structure diagram of power socket

Arduino Nano的ATmega328是電源插座的控制中心。ATmega328的固件程序通過Arduino IDE編譯器使用C語言編寫而成，具體流程如圖5所示。首先，為了使ATmega328能夠與ESP-01通過串口通信，單片機初始化需對串口的波特率配置為9600，其他串口屬性默認不變。然后，ATmega328需通過AT指令對ESP-01的ESP8266進行配置，使ESP8266在AP+Station模式工作，并將WiFi接入點的名稱和密碼配置為榮耀立方的WiFi名稱和密碼，通訊協(xié)議為TCP協(xié)議，通信的IP地址為榮耀立方的默認IP地址(192.168.3.253)，端口為6354以及傳輸模式為透明傳輸模式等。配置后，WiFi模塊將與榮耀立方通過WiFi連接，等待接受榮耀立方的控制指令，并將接受到的控制指令直接通過串口發(fā)給ATmega328。ATmega328根據(jù)控制指令，配置數(shù)字引腳的高低電平使繼電器模塊響應，為不同的用電設備供電或斷電，并返回繼電器模塊的狀態(tài)。

圖5 ATmega328的固件程序流程圖Fig.5 Flow diagram of firmware of ATmega328

4 系統(tǒng)測試

為了驗證該系統(tǒng)的實際效果，使用4個燈泡代替不同類型的電器設備與電源插座相連，并且將榮耀立方與液晶顯示器相連，如圖6(a)所示。當整個系統(tǒng)中僅榮耀立方上電工作時，榮耀立方提供了WiFi網絡，手機可連接到榮耀立方的WiFi網絡。由于電源插座尚未上電工作，插座上的燈泡都沒有亮，同時電源插座也沒有與榮耀立方通過WiFi連接。顯示器顯示APP已運行，但不能正常工作，等待電源插座的接入，如圖6(b)所示。

圖6 測試結果Fig.6 Test result

當電源插座上電工作，電源插座自動與榮耀立方通過WiFi網絡相連接，榮耀立方上的APP進入工作狀態(tài)。此時，由于手機已經連接了榮耀立方的WiFi網絡，如同人攜帶手機(手機的WLAN開關狀態(tài)為開)回到家，手機會自動與榮耀立方的WiFi網絡相連接，APP上的用戶手機連接數(shù)大于零。根據(jù)用戶手機連接數(shù)，APP向電源插座發(fā)出“有人模式”的控制指令；電源插座給代表有人時使用的設備的燈泡供電，將代表無人時使用設備的燈泡斷電，并保持給代表常開設備的燈泡供電，如圖7(a)所示。電源插座向榮耀立方返回繼電器狀態(tài)，APP則根據(jù)繼電器狀態(tài)更新狀態(tài)變量，并通過顯示器的界面顯示用戶手機連接數(shù)為1，供電路數(shù)為3，如圖7(b)所示。

圖7 當有人時，電源和APP的狀態(tài)Fig.7 State of power supply and APP when there are people

當手動關閉手機的WLAN開關，模擬人攜帶手機(手機的WLAN開關狀態(tài)為開)離開家，手機會自動與榮耀立方的WiFi網絡斷開，APP上的用戶手機連接數(shù)恢復為零。APP向電源插座發(fā)出“無人模式”的控制指令，電源插座給代表無人時使用的設備的燈泡供電，將代表有人時使用的設備的燈泡斷電，并保持給代表常開設備的燈泡供電，如圖8(a)所示。這時，由于沒有手機與榮耀立方通過WiFi

相連接，APP的界面上的用戶手機連接數(shù)變?yōu)?，供電路數(shù)為2，如圖8(b)所示。

圖8 當無人時，電源和APP的狀態(tài)Fig.8 State of power supply and APP when there are no people

5 結論

針對家里或辦公室中的電器設備日益增多而導致節(jié)能和安全方面的問題，提出了一種基于WiFi感應的智能電源管理系統(tǒng)，為室內日常電源自動化管理提供了一種解決方案。該系統(tǒng)將無線路由器作為整個系統(tǒng)的控制中心，通過對無線路由器榮耀立方的二次開發(fā)，使其能夠實時監(jiān)測手機與無線路由器的WiFi連接數(shù)，并根據(jù)WiFi連接數(shù)判斷家中是否有人，通過電源插座對高耗能電器或安全監(jiān)控設備的電源進行差異性控制，不僅節(jié)省了無人時不必浪費的電力資源，而且防止在有人時視頻監(jiān)控引起的隱私泄露。目前，該系統(tǒng)尚處于對功能驗證的雛形設計，將來還會根據(jù)智能家居領域的實際需求，進行不斷地改進和優(yōu)化。