一种基于WiFi和ZigBee通信的家庭用电管理系统

2015-09-21张保增陈新春胡东方郑记涛

网络安全与数据管理 2015年14期

张保增，陈新春，胡东方，郑记涛

（河南许继仪表有限公司，河南许昌 461000）

0 引言

随着全球能源消耗不断加大，全球气候变暖已成为威胁人类生存的重大问题。因此，提高电能利用效率越来越成为社会的要求。研究如何实现家庭电能消耗的最优配置和探求有效的电能节约途径成为研究的热点[1]，并出台了相应的标准[2-4]。

对用户来说，节能减排的最大动力就是能够节约电费。虽然目前市场上已经出现了诸多的节能电器，例如节能灯、节能空调、节能冰箱等，但是对这些电器的节能效果用户只有能依据厂商宣传的概念，并没有这些电器耗能具体数据（换算成电费），无法对电器的节能与自己的投资进行比较。目前国内仅对用户安装一块电能表，用户可以知道自己家庭每个月使用的总电费，但却不知道这些电费都用到了什么方面，也就没办法针对关键耗能设备进行有效的节能，有效地推进节能。

智能家居的提出使得人们可以自动地实现对家用电器的控制。目前的智能家居系统对家庭设备的控制和舒适性的研究较多[5-6]，但对于家庭节能的方面研究较少。对于家庭节能的研究主要集中在理论和总用电模式方面。聚类集成的算法可以对用户用电的特征进行识别[7]，但无法进行相应的、有效的调整。

本文主要实现了一种基于家居节能的智能家居系统，通过对智能开关和智能插座所计量电能的计量和统计，可以得到家庭用电的统计数据，同时可以自动设计用电方案来控制家庭用电。

1 系统方案

整个方案包括外网和内网部分，智能家居系统通过以太网接入外网中，通过网关转换为家庭内部WiFi网。系统架构图如图1所示。

图1 智能家居系统架构图

管理中心是智能家居系统的核心设备，负责用户的用电设备集中接入和控制，并对设备用电信息进行收集、处理和存储。同时，管理中心接收网关和PAD的WiFi命令，同时实现与室内智能终端（智能开关、智能插座等）的通信。PAD可以实现与用户的界面交互，用户可以通过PAD实现对智能家居设备的控制和状态查询，以及设置智能用电控制方案。

2 系统网络设计

智能家居系统可以划分为外部网、网关和内部网3个部分。外部网采用以太网技术。常用的内部网目前主要有有线和无线两种方式。其中无线方式和电力线载波方式无需重新布线，在智能家居中得到了广泛的应用。

在本方案中，内部网有WiFi和ZigBee两种方式。WiFi属于近距离无线通信技术的一种。WiFi通信方式有 AP（Access Point）-STA（Station）组网方式与 Peer-to-Peer两种组网方式[8]。这里采用AP-STA方式。网关作为WiFi的访问点（AP），PAD 和管理中心作为站点（STA），这样可以有多个PAD或者主站同时访问系统。WiFi具有较高的无线通信速率，可以实现PAD、网关与管理中心之间大量数据的快速通信。

管理中心与各终端设备之间采用ZigBee通信技术。ZigBee是一种短距离无线网络技术，具有低功耗、低复杂度、自组织网、低数据速率的特点。ZigBee传输速度为20 kb/s～250 kb/s，传输距离介于 10 m～100 m[9-10]，国内的通信频率在 2.4 GHz。相对于 WiFi通信方式，ZigBee速率较低，功耗较小，具有自动组网路由功能，可以根据通信环境自动切换到合适的频道。

ZigBee网络层支持三种网络拓扑结构，即星型结构（Star）、簇状结构（Cluster tree）和网状结构（Mesh）。本系统中采用网状结构，这样可以实现室内各通信节点的路由。管理中心 ZigBee设计为ZigBee协调器（Coordinator），其余产品中ZigBee设计为ZigBee路由器（Router）。为了简化设计，本系统中的ZigBee封装为一个ZigBee模块，模块与控制装置之间使用UART口进行通信。

当完成系统的安装上电后，室内ZigBee网络组网过程如下：使用手持设备读取各终端ZigBee的MAC地址把各终端ZigBee的MAC地址输入到管理中心内，管理中心再把MAC地址添加到ZigBee协调器内，各ZigBee节点自动加入到协调器中，组织成一个网络。

ZigBee在系统中的配置如图2所示。

图2 智能家居系统中ZigBee配置

3 管理中心的设计

管理中心接收各终端的数据，同时把各种用户对终端的操作通过ZigBee下发到终端，完成对终端的操作。同时存储和分析用户的电能数据，实现对家庭用电的智能控制。

3.1 管理中心硬件设计

管理中心的硬件框架图如图3所示。

图3 管理中心的硬件框架图

管理中心基于ATMEL的ARM9主处理芯片进行设计，芯片主频为 1 GHz，内存为 512 MB，程序 Flash空间为8 MB，数据存储Flash空间为128 MB。管理中心电源由外部5 V电源供电。通过485总线，可以实现对管理中心的WiFi等参数的配置。管理中心也可以通过485总线读取其他设备的数据。完成配置后，管理中心WiFi登录网关的访问点，加入WiFi网络。同时PAD也加入室内的WiFi网络，PAD可以通过WiFi通道对管理中心进行参数设置和用电方案的设置，以及读取用电数据等。

3.2 管理中心的软件设计

管理中心的软件基于Linux 内核，采用C++编程语言进行开发。Linux是一套免费使用和自由传播的类U-nix操作系统，是一个基于POSIX和Unix的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。Linux的内核精简而高效，可修改性强，支持多种体系结构，而且具有非常好的网络性能[11]，同时免费使用也使得Linux操作系统越来越多地用于嵌入式软件开发。

与传统的智能家居不同的是，本管理中心中加入了对用电量的采集和控制功能。用电量采集的UML序列图如图4所示。

图4 读取用电数据UML序列图

广播冻结的方式使得各终端的电量冻结时间高度一致，保证统计精确度。管理中心内部有实时时钟芯片，在掉电情况下利用电池对实时时钟芯片供电，保证实时时钟的准确性。用户可以根据需要设置冻结的时间间隔，得到相应的用电曲线。

当用户需要了解用电情况时，可以用电脑主站软件通过以太网访问管理中心的用电数据，或者使用PAD通过WiFi网络访问用电数据，在电脑或者PAD上显示出用户的用电曲线以及用电统计数据。用户可以根据用电情况制定相应的用电方案。

4 终端产品的设计

终端产品主要包括智能开关和智能插座等产品，同时也可以接入其他WiFi或ZigBee设备。智能开关与智能插座可以实现对电器产品的通断电控制，同时实现对电器用电的检测和用电情况的上传。

4.1 硬件设计

由于智能开关与智能插座内的空间有限，要实现诸多功能，硬件计量采用了单芯片计量方案，采用V9811芯片作为主芯片。V9811与ZigBee模块之间通过UART口通信。

硬件架构图如图5所示。

图5 计量终端硬件框架图

V9811是一款单相电能计量SoC芯片，它集成了模拟前端、电能计量模块、增强型 8052内核、RTC、WDT、Flash、SRAM和LCD驱动等功能，可为单相多功能电能计量提供单芯片解决方案。V9811芯片具有128 KB的Flash存储器，具有写保护和加密功能，支持ISP和IAP，具有4 KB外部SRAM存储器。

电压使用电阻分压电路进行采样，电流使用锰铜分流器进行采样，V9811芯片采用UART口与ZigBee模块进行通信，液晶显示使用V9811集成的LCD驱动进行显示（智能开关没有液晶显示）。