基于能耗管理的智能家庭网关设计与实现

刘 凯，戚银城

（华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003）

基于能耗管理的智能家庭网关设计与实现

刘 凯，戚银城

（华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003）

针对目前传统智能家居技术偏重于实现家居智能化与自动化的现状，提出一种稳定可靠的智能家居策略，将家庭能耗管理与家居智能控制相结合。家庭内部组网的核心设备是智能家庭网关，对底层具有能耗采集模块的设备进行控制。该网关采用ARM9系列LPC3240处理器和RF433 MHz无线通信技术并自定义通信协议，软件设计采用一套多任务、单进程多线程的设计方案。采用黑盒测试的方法对网关进行测试，最终网关的稳定性达到要求且能耗数据采集功能顺利实现。

智能家居；家庭能耗管理；LPC3240；RF433 MHz通信协议；多任务单进程多线程；黑盒测试

物联网技术的飞速发展使得家居自动化与智能化已逐渐成为现实，但是其在应用上的推广还不是十分成熟[1]。文献[2]提出，由于人类社会面临的能源环境压力越来越大和国家建设坚强智能电网的进程，传统的智能家居已不是满足社会和人们需求的最好方式，只有将传统的智能家居与现代家庭能耗管理的理念相结合，才能缓解能源环境压力并促进智能家居的产业化发展。将能耗管理策略与智能家居技术有效集成，也是智能电网关键技术研发项目中智能配用电领域中十分重要的环节。

文献[3]提到家庭能耗管理的概念，认为需要在用电侧提高电力能源的使用效率，采取各种措施鼓励用户共同拉平电力负荷曲线，并提出在大功率家用电器上可以增加通信和智能模块，对变化的电价做出响应，最终不仅实现家庭自动化，而且能够加强家庭能耗管理。文献[4-6]通过对不同地区和不同生活习惯的人进行调研，提出行为节能是减少家庭能耗最有效的途径。所以将家庭能耗管理融入到智能家居中，通过改变人们的生活方式来改变用户用电习惯，这样具有非常重大的意义。

智能家居行业未能广泛应用的一个主要原因就是国内外一直未能有统一的智能家居行业标准及规范。当前采用技术主要有ZigBee和Z-Wave技术，然而ZigBee技术由于受功耗限制，穿透力较差，极易受家具或墙壁影响；而Z-Wave虽然能够克服上面问题，但非开放式标准，存在系统兼容性问题[7]。本文提出采用433 MHz这一低频段无线射频技术实现智能家居系统的解决方案，其室内传输能力强，频点较多能够解决信道干扰问题，节点成本低且开发难度小[8]。本文通过先进的智能用电技术，构建了全新的智能家居产品系统架构和应用层协议，支持多种通信方式和通信协议智能家居产品的统一接入、管理和控制，对消费者接受智能家居有巨大的推进作用，有助于相关产业的发展。

本文阐述了一种稳定可靠、方便管理、便于推广的智能家庭网关设计，通过黑盒测试证明了其稳定性和能耗采集功能的实现。目前正在北京、上海、江苏、湖南、河北、辽宁等省十几个试点小区进行应用，最新的商用版本于2014年6月在贵阳市进行试点，用户可以通过手机、Pad、电视等终端设备实现对智能空调、智能热水器、智能灯光和智能插座进行远程控制、用电信息查询、电费缴纳等基本功能。同时集成第三方的社区、安防、监控等功能也进一步扩展智能家居相关服务内容，满足了用户的多种业务需求。用户可以方便地实现对家电的管理，远程控制、定时开关，还可以直观地看到家庭能耗情况，做出相应调整。

1 智能家居系统结构

智能家居系统业务架构分5层，分别为设备云服务层、设备路由层、核心服务层、终端路由层和终端云服务层，每层都采用多服务集群部署，具体架构如图1所示。

图1 智能家居业务系统架构图

设备云服务层同时为智能家居设备提供网络长链接和短链接服务，同时将设备链接的信息发送给设备路由层保存。设备路由层是设备传递信息的路由通道，服务器通过设备路由层查找设备连接信息并下发控制指令，设备通过路由层上传电量和同步信息。核心服务层提供家居控制、用电分析、用户身份认证等核心智能家居相关服务。终端路由层是手机、平台等终端设备传递信息的路由通道，是实现终端设备同步和信息推送的重要环节。终端云服务层为终端设备提供注册、登录、控制和查询等功能的接入服务，同时将接入信息发送到终端路由层保存。

智能家居系统由远程控制终端、服务器和家庭内部网络3部分组成，如图2所示为智能家居系统网络架构图。通过PC、手机和平板电脑等终端设备可以随时随地对家庭能耗进行查询与管理。通过服务器实现与远程控制终端和家庭网关的交互，并储存家庭能耗数据。智能家庭网关为家庭内部网络与外部网络交互的接口，是整套智能家居系统中的关键环节：对上实现了与服务器的信息通信，对下实现了与智能插座和智能家电设备的信息通信；将服务器下达指令进行协议转换并下发给插座；实现对插座及其他智能家居设备的控制；向服务器上传采集到的能耗数据。

图2 智能家居系统网络架构

远程控制终端和家庭网关与服务器之间遵守对应的RF433 MHz通信协议，分别进行交互，用户命令通过服务器下发给网关，网关完成对智能家电和智能插座的控制；智能家电和智能插座的反馈信息和能耗数据通过网关上传至服务器并进行存储，方便用户查询和进行能耗分析。另外，本系统可以兼容WiFi协议。

从功能需求进行分析，通过对上述功能进行分类，可以将其划分为5个功能模块：1）通信模块，与服务器之间通信，包括接收服务器指令和向服务器发送指令。2）指令解析模块，对指令进行解析分类，对不同类型的任务分类处理，放入相应任务队列。3）串口模块，与下层智能家电和智能插座的通信，将指令下发给电器和智能插座，并接收来自电器和智能插座的反馈信息。智能插座和智能电器具有能耗采集模块。4）即时任务处理模块，对即时任务的处理，并发送反馈信息。客户端软件发起的能耗查询任务属于即时任务，例如，当用户查询某电器设备某一时刻功率时，服务器接到用户指令下发给网关，网关解析指令后控制家庭内部网络相应节点进行功率数据采集并返回给服务器。5）定时任务处理模块，对定时任务进行处理，并返回反馈信息。在用户未发起查询功能时，网关定时采集底层设备的耗电量、功率等能耗数据，即一般情况能耗采集属于定时任务。

对于每一类型功能设计，服务器与网关之间有专门的通信协议，服务器负责设备底层通信协议帧的拼装，网关负责任务的解释、执行以及返回。

2 智能家庭网关的硬件设计

根据智能家庭网关的需求分析，为了达到预期功能，对硬件进行选型和对软件进行设计，核心板功能模块框见图3。

图3 控制中心核心板功能框图

2.1 处理器及其外围电路

网关采用NXP公司的ARM9处理器LPC3240，其IO电压为3.3 V，内核电压为1.2 V。处理器的普通IO可直接使用3.3 V系统电源VCC 3.3 V，内核电压VCC_CORE由VCC3.3 V二次降压得到，LPC3240的外部总线模块电压VCC_EMC和AD模块电压VCC_AD均由VCC3.3 V经过LC滤波得到，LPC3240的锁相环模块电压VCC_PLL由VCC_CORE经过LC滤波得到。处理器需要双时钟：主时钟和RTC时钟。主时钟使用13 MHz无源晶体振荡器，经锁相环分频、倍频到208 MHz；RTC时钟直接使用32.768 kHz无源晶振得到。LPC3240处理器支持ISP启动和NAND Flash启动，两种启动方式之间可通过跳线进行选择。SERVICE_N信号直接与LPC3240的C15引脚（GPI_01/SENVICE_N）连接。处理器复位电路选用专用复位芯片SP706S，复位电压为2.93 V，支持上电复位、手动复位、电压异常复位和WDT超时复位。由于SP706S的复位输出电平为3.3 V，而LPC3240的复位信号输入引脚电平为1.2 V，因此使用74LVC2G07做电平转换，将3.3 V电平转换为1.2 V。以太网、USB等外设的复位直接使用处理器的复位输出信号。LPC3240完成复位后，会在G4引脚输出一个3.3 V电平的复位信号，此复位输出可直接应用于外设复位。

2.2 以太网物理层电路

LPC3240处理器内部集成以太网控制器的MAC层，因此只需要连接一个PHY（物理层）接口芯片和相关电路。LPC3240可以支持MII和RMII两种接口，为节省引脚资源，选用RMII接口。本网关选择的PHY芯片KSZ8041NL是一款单芯片10/100M以太网物理层收发器，它具有功耗低、体积小、波形稳定、成本低等特点。

KSZ8041NL与LPC3240处理器之间的接口电路如图4所示，包含数据接口和管理接口。数据接口包括数据发送信号TXD[0]、TXD[1]，发送使能信号TXEN，数据接收信号RXD[0]、RXD[1]，载波侦测信号CRS；管理接口包括管理数据时钟信号MDC，管理数据I/O信号MDIO。

KSZ8041NL的一些引脚说明：28脚上拉和18脚下拉将芯片配置为RMII接口模式；15脚上拉表示将的地址设置为“00100”，用于管理接口访问时使用；20脚下拉表示工作在正常模式下；30脚上拉表示工作在自适应模式；10脚同地之间的6.49 kΩ电阻是用于调整输出电流；4，5，6，7脚经过49.9Ω电阻连接到RJ-45的隔离变压器；8，9引脚为时钟输入引脚，时钟频率为50 MHz。

2.3 智能控制模块

能耗管理功能的实现主要通过智能控制模块对底层设备的控制来完成，底层设备配置有CS-5463等不同类型的能耗数据采集模块，网关智能控制模块在相应时刻收集所需数据。

对家庭内部网络中智能插座、智能电器以及安防子系统的控制分别采用不同的控制模块：智能插座控制模块、智能家电控制模块和无线安防接收器。智能插座控制模块（MOD1）与LPC3240通过UART3进行通信，接口信号为U3_TX和U3_RX。MOD1的复位信号可使用系统复位（SYSRESET），也可使用模块内部复位，通过JP4选择。MOD1_HB信号为智能插座控制模块的心跳信号，用于指示模块工作是否正常。

对于智能家电的控制，目前只支持美的智能家电控制器。智能家电控制器与LPC3240处理器之间使用UART接口进行通信，使用LPC3240的UART4。

安防子系统支持美安无线安防接收器，无线安防接收模块与LPC3240之间使用UART接口通信。

图4 以太网物理层接口电路

3 应用层协议设计

本智能家居系统采用RF433 MHz无线通信方式，采用自定义的应用层通信协议，分为上行协议和下行协议，上行协议是智能家居系统服务器与智能家庭网关之间的应用层协议，下行协议是智能家庭网关与硬件设备间的应用层协议。服务器负责设备底层通信协议帧的拼装，网关负责任务的解释、执行以及返回。上行应用层协议根据功能类型分为9大类，每一类采用不同的指令类型，协议内容的基本格式为：#网关识别码#设备类型码#网关程序版本号#指令序号#指令类型#，对于不同类型任务需要添加更多字段，例如添加、删除设备类指令需要添加设备同步码、设备认证码等字段，指令操作类查询设备状态，需要添加指令条数字段。表1中举例显示部分典型上行协议。

4 智能家庭网关的软件设计

软件的实现采用多服务、单进程多线程的方案，主要包括以下3种服务：1）主进程服务负责应用层广域网接入、设备层低速网接入、并执行指令任务且即时返回处理结果等操作；2）启动服务负责在系统启动时，调用相关应用、服务并配置运行环境、监控守护线程等操作；3）升级服务负责提供网关应用程序等相关文件的升级、配置等操作。

将主进程中的5个功能模块分别用5个不同的线程来实现：主线程完成对即时任务的处理；用户可以随时查询电器瞬时功率，对电器的耗电情况深入了解；辅线程1用来完成与服务器间的Socket通信；辅线程2对服务器下发指令进行解析，对不同任务分类处理；辅线程3对定时任务进行处理，包括定时查询功率和耗电量，定时开关电器等；定时查询功率和耗电量即为能耗管理的关键环节，将采集到的数据存入服务器，方便用户随时查看，根据数据改变用电习惯；辅线程4完成网关与底层智能家电和智能插座的串口通信。图5通过命令和任务的传递途径显示了程序的总体流程。能耗管理需要各线程协调工作，并主要由主线程和辅线程3实现。

5 网关测试

网关的测试主要通过黑盒测试完成，即不关心网关内部实现，只看是否能够完成设计的功能，测试从操作控制的稳定性和能耗数据的采集两方面进行。图6为网关实物图。测试时保证后台服务器正常运行，手机客户端软件也正常运行，家庭网关每一项功能的顺利完成都是在服务器和客户端软件的参与下，由网关内各线程协调配合完成。所以只有所有线程都保持正常，每一项功能才能顺利执行。

表1 应用层上行协议

图5 智能家庭网关任务流程图

图6 智能家庭网关实物图（照片）

5.1 稳定性测试

在10 m×10 m的房间内，网关和智能插座位置随意摆放。经过多轮反复测试和Bug修改，网关上电后，网关的初始化、向服务器进行注册，都能顺利完成。

测试的主要内容主要包括：获得网关识别码、获取程序版本号、解析域名获取服务器IP和端口、读取现有设备信息；添加、删除智能插座；设置、取消、执行定时任务，完成对插座的定时开关控制；对插座的即时开关控制。在断电、重启、意外关闭等不同情况下分别进行测试，测试过程中所有功能均可以顺利完成，稳定性达到要求。

5.2 能耗数据采集功能测试

能耗数据采集是定时循环任务，可以通过终端设备进行设置，测试中设置为功耗采集60 min对进行一次，功率采集10min进行一次。底层设备采集到数据后发送给串口，网关再上传服务器进行保存。本测试中，在智能插座上接入一台饮水机，测试时间为一个月。每隔10 min上传一次功率信息，每隔60 min自动上传一次耗电量信息，在测试全程均未出现数据采集失败、错误或上传失败现象。

6 结束语

在传统的智能家居系统实现家居控制自动化与智能化中，很少涉及或稳定实现家庭能耗管理。本文提出一种基于能耗管理的新型智能家居系统策略，并完成了其中智能家庭网关的设计与实现。基于ARM9硬件环境，采用自定义的433 MHz无线通信协议，完成了嵌入式应用软件编程，不但可以实现对家电和插座的智能控制，而且可以采集家庭能耗信息，上传服务器供用户和供电公司分析使用。对于如何推广自定义433 MHz通信协议和进一步兼容WiFi协议，有待进一步研究，也是下一步工作的重点。

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Design and Achievement of Smart Home Getway Based on Home Energy M anagement

LIU Kai，QI Yincheng
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Hebei Baoding 071003，China）

Based on the situation that traditional smart home technology only focusing on achieving the auto controlling，a stable and reliable smart home strategy is presented.It combines home energy management and auto control.The getway is the core of the whole system.The CPU of getway is LPC3240，and it use RF433 MHz wireless communication and self-defined protocol.The software scheme is multi-tasking，single-process and multi-threads.The getway is tested by the black box testing，and finally the stability meets the qualification and the function of energy data acquisition is achieved.

smart home；home energy management；LPC3240；RF433 MHz communication protocol；multi-tasking single-process and multi-thread；black box testing

TP311.1

A

刘 凯，研究生，主要研究方向智能用电、嵌入式、无线通信，为本文通信讯作者；

�� 雯

2014-07-13

【本文献信息】刘凯，戚银城.基于能耗管理的智能家庭网关设计与实现[J].电视技术，2014，38（21）.

国家“863”计划项目（2011AA05A117）

戚银城，教授，主要研究方向图像处理，信息安全，无线通信。