基于电力线载波通信的智能用电管理系统设计

张泰　顾晓峰　张大维　吴滨

摘 要： 为了构建一个智能化小型电能网络，实现对用电设备的精确计量和远程控制，设计一套基于电力线载波通信的智能用电管理系统。系统整合了电能计量、电力线载波通信和继电器等模块，包含PLC插座，以S3C6410为智能网关核心，内嵌Web服务器，通过PC或移动终端可完成各种电器的远程监测和管理。测试结果表明，系统达到了设计要求，且结构简单，通信稳定，具有广泛的应用价值。

关键词： 电能管理； 电力线载波通信； 智能网关； Web服务器

中图分类号： TN913.6?34； TP368 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）04?0149?04

Abstract： In order to construct an intelligent small electric energy network， and realize the precise metering and remote control of the electric equipments， an intelligent power management system based on the power line carrier communication was designed. The modules of electric energy metrology， power line carrier communication and relay are integrated in the system， in which the PLC socket， intelligent gateway based on S3C6440， and embedded Web server are included. The remote monitoring and management of various electric appliances can be realize by PC or mobile terminal. The test results show that the system can meet the design requirements， and has simple structure， stable communication and wide application.

Keywords： electric energy management； power line carrier communication； intelligent gateway； Web server

0 引 言

“智能互动”是智能电网的主要特点和建设目标，包括信息和电能的双向互动，鼓励用户改变传统的用电方式[1]。电网技术的发展使用户从被动参与者转变为主动参与者，阶梯电价和峰谷电价的推行，使电力用户获得更多激励，对用电成本更敏感[2]，用户希望获得更准确的用电信息以合理安排用电计划。因此，组建一个电能网络对用电设备进行检测计量并优化其运行，具有极高的实用价值。

构建一个智能化的用电管理系统，首先要对设备进行电能计量，并联网通信，以共享用电数据和实现远程控制。对连接电网和用电设备的插座进行改造可以很好地监控电器设备[3]。电力线载波通信（Power Line Communication，PLC）利用电力线通过载波方式对模拟或数字信号进行高速传输，无需重新铺设专用的线缆，也不占用无线通信的频谱资源，在低压电网中通信稳定，同时电力线调制解调模块的成本也远低于其他无线模块，是解决智能用电系统数据传输的理想方案。开发使用带有计量模块和电力线载波模块的插座，将用电信息传送至以S3C6410为核心的智能网关嵌入式平台，并将该平台接入网络，用户可通过PC或手机等移动终端实时查看用电信息，制定用电方案，同时也可完成对电器设备的远程控制，实现智能用电的目标。

1 系统整体设计

该系统主要是由载波通信插座（PLC插座）和智能网关平台两个部分组成。通过电力线载波通信方式实现数据通信。系统的设计包括PLC插座、无线通信模块、网关服务器和Web客户端的设计。系统采用星状拓扑结构组建独立的电力线网络，用电设备连接PLC插座，PLC插座和网关之间以电力线载波通信方式进行用电数据和控制指令的传输。智能网关通过WiFi连接互联网，为用户提供实时的Internet访问服务，系统的总体结构如图1所示。

用电设备与PLC插座相连，插座内置的高精度电能计量模块完成用电信息采集后，将数据通过PLC模块发送至网关。需要对用电设备进行远程控制时，利用PC或移动设备在Web页面发送操作指令，通过智能网关将指令传至PLC插座，插座通过内置继电器控制设备的开关。智能网关与PLC模块、WiFi模块之间均采用串口连接，提高了系统兼容性和可扩展性，组网方式也更加灵活多样[4]。

2 系统硬件设计

针对智能用电管理系统中PLC插座和智能网关两部分的不同功能和需求，分别选用不同的主控芯片和设计方案。

2.1 PLC插座硬件设计

PLC插座主要由微处理器、电源模块、电流电压采样模块、计量模块、PLC模块和继电器组成，其功能结构如图2所示。

本系统的微处理器选用意法半导体公司（ST）的STM32F103ZET6芯片。该芯片基于专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的Cortex?M3内核，是目前32位微控制器市场上功耗最低的产品，拥有512 KB的片内FLASH，64 KB的片内RAM，5路USART，3路SPI接口，1个CAN接口等丰富的资源[5?6]。电源电路如图3所示，模块将220 V交流电经AC?DC转换成12 V直流电，使用LM317芯片，可提供5 mA～1.5 A的稳定电流；模块提供两路供电：一路为PLC模块提供12 V电压；另一路经DC?DC转换为5 V电压，为主控制器和计量芯片供电。设计中使用3个430 kΩ电阻串联分压方式实现电压采样，使用电流互感器实现电流采样。

电能计量电路如图4所示，计量芯片采用合力为科技的HLW8012，它是专门面向智能插座和智能家居应用的一种高精度低成本电能计量解决方案，高频脉冲CF指示有功功率，在1 000∶1范围内可达到±0.2%的计量精度[7]。为了提高通信抗干扰能力，选用KQ?130485K作为PLC模块[8]，其工作频率在113～120 kHz，接口波特率9 600 b/s，接收灵敏度≤1 mV，带外抑制能力≥60 dB，带宽≤10 kHz。模块包括了载波驱动、耦合、滤波等外围电路，在12 V工作电压下，通过两根RS 485信号线连接RS 485总线，并将其两个AC端与220 V电力线相连，即可在处理器控制下实现数据传输，极大地简化了硬件设计。

2.2 智能网关硬件设计

智能网关是该用电管理系统的控制核心，负责系统的数据处理，并通过以太网和无线模块与上位机交换数据，传送电器的用电信息和运行状态信息，接收用户的控制指令，其功能结构如图5所示。

智能网关主要包括主控制器、电源模块、实时时钟、LCD显示模块、存储模块、以太网模块、PLC模块和WiFi模块等。主控制器选用基于ARM11的SAMSUNG S3C6410芯片[9]。电源模块和PLC模块选用和PLC插座相同的设计方案。以太网控制器选用DM9000芯片，芯片集成10/100M自适应收发器和4 KB的双字SRAM，物理协议层接口完全支持非屏蔽双绞线，配合网络变压器和RJ45以太网接口，可以方便地接入网络。WiFi模块选用基于德州仪器公司CC3200芯片方案的USR?C322无线模块，内置Cortex?M4内核，运行频率达80 MHz，具有超低功耗运行控制机制，在网功耗低至3.5 mA；模块通过UART接口与网关进行连接，实现系统的联网功能。

3 系统软件设计

3.1 PLC插座软件设计

PLC插座负责完成用电设备的开关控制、电能计量、数据存储及与网关的通信。PLC插座的程序主要实现各功能模块的管理和调度，其流程如图6所示。

系统上电后完成STM32F103ZET6和KQ?130485K载波模块串口的初始化，并读取当前系统时钟。HLW8012芯片完成电能数据采集后，发送高频脉冲CF和CF1给STM32F103ZET6，后者开启串口中断，接收并存储数据。当处理器接收到来自网关的数据传送指令后，控制PLC模块将有功功率、电流有效值和电压有效值发送给网关，然后进入等待状态。一旦接收到来自网关的用户控制指令，处理器中断当前用电数据采集任务，响应用户指令，判断是否对继电器进行操作以改变用电器的工作状态。数据接收和发送的部分代码如下：

3.2 智能网关软件设计

3.2.1 智能网关软件系统架构

智能网关软件系统由硬件抽象层、操作系统层和应用层三个部分组成。软件系统的设计主要包括嵌入式系统的移植、底层驱动开发、嵌入式Web服务器的移植和通用网关接口（Common Gateway Interface，CGI）程序开发。设计采用Linux操作系统作为系统的软件平台。Linux源代码开放，内核高效稳定，实时性高，支持多种体系结构，广泛应用于各种嵌入式设备。

硬件抽象层是操作系统内核与硬件电路之间的接口层，它将硬件抽象化，隐藏了特定平台的硬件接口细节，为操作系统提供虚拟硬件平台，使其具有硬件无关性，提高了系统的可移植性。硬件抽象层包括引导加载程序和硬件驱动等。智能网关软件系统的应用程序主要包括嵌入式Web服务器和电能管理程序两部分。

3.2.2 嵌入式Web服务器的实现

嵌入式Web服务器多采用B/S结构，用户通过浏览器向服务器发送连接请求，服务器确认用户请求的合法性后，与浏览器建立TCP/IP连接，侦听浏览器请求并按HTTP协议规范进行解析，根据请求内容将执行结果返回给浏览器。智能网关系统使用Boa作为Web服务器，它是一种单任务的嵌入Web服务器，精简高效，源代码开放，系统占有率低，广泛用于各种嵌入式设备。

构建智能网关Boa服务器主要包括以下步骤：

（1） 解压Boa源代码生成Makefile文件，修改文件中的编译工具和编译方式，即将CC=gcc改为CC=arm?linux?gcc，PP=gcc?E改为arm?linux?gcc?E，重新make编译生成可执行的Boa文件；

（2） 配置Boa服务器，主要是修改用户权限和访问路径，打开Boa.config文件，将User nobody改为User 0，group nogroup改为Group 0，将Document Root/var/www改为Document Root/var/html。完成后重新编译内核，并下载到智能网关[10]。

3.2.3 CGI程序设计

CGI定义了Web服务器和其他可执行程序之间进行交互的接口标准，用来实现客户端网页与Web服务器之间的数据交互。浏览器通过Web表单请求CGI程序，服务器响应请求并调用对应CGI程序进行处理，同时返回数据给网页。CGI程序可以使用任何一种具有标准输入、输出和环境变量的编程语言编写。本设计采用C语言编写CGI，以方便调用Linux系统的底层驱动程序[11]。智能网关中CGI的程序流程如图7所示。

4 系统测试

为了测试系统PLC通信的稳定性，考虑到电网负荷的变化对PLC通信的影响，选取了一天当中4个不同的时间段进行数据收发测试，测试数据如表1所示。测试结果表明，PLC通信数据准确率在98%以上，系统具有较高的通信稳定性。

将用电设备与PLC插座相连接，设置好智能网关的IP地址，在PC或手机终端通过浏览器访问该地址，登录到系统页面，可查看用电设备的电能数据，并可进行远程控制。系统的运行界面如图8所示。当新增PLC插座节点时，不需复杂的系统设置，即可及时准确地完成数据和指令的传送，系统的稳定性也不受PLC插座节点增减的影响。

5 结 语

设计了一套由PLC插座和智能网关组成的智能用电管理系统，充分利用低压电网PLC成本低、组网简单、性能稳定的优势，结合成熟的网络通信技术，实现了小型用电网络的智能化管理。

通过该系统，用户可以实时监管电器的用电和运行状态信息，制定合理的用电计划，实现设备的优化运行和远程监控，具有很好的应用前景。

参考文献

[1] 王蓓蓓，李扬，高赐威.智能电网框架下的需求侧管理展望与思考[J].电力系统自动化，2009，33（20）：17?22.

[2] 章鹿华，王思彤，易忠林，等.面向智能用的电家庭综合能源管理系统的设计与实现[J].电测与仪表，2010，47（9）：35?38.

[3] NIYATO D， LU X， WANG P. Machine?to?machine communications for home energy management system in smart grid [J]. IEEE communications magazine， 2011， 49（4）： 53?59.

[4] 刘迎澍，杨峰，李冰.基于电力线载波的智能插座设计[J].电子设计工程，2014，22（7）：165?168.

[5] 卢有亮.基于STM32的嵌入式系统原理与设计[M].北京：机械工业出版社，2014.

[6] 陈媛，郭志波.基于STM32的电网谐波检测仪的研究[J].现代电子技术，2012，35（18）：171?173.

[7] Hiliwi Technology. HLW8012用户手册REV1.2 [EB/OL]. [2014?08?01]. http：//www.hiliwi.com.

[8] 四川科强电子技术有限责任公司.KQ?130系列电力载波模块使用手册[EB/OL].[2014?06?19].http：//www. kq100.com.

[9] 王宁，段福海，刘忠凯，等.基于S3C6410和STM32的无线自动滴灌系统设计[J].现代电子技术，2013，36（22）：115?119.

[10] 王莉，周伟.基于ARM的嵌入式Web服务器设计[J].计算机工程与应用，2012，48（14）：90?93.

[11] 李江权，张兴敢.基于Cortex?M3处理器的智能家居监控系统设计[J].现代电子技术，2012，35（7）：47?49.