家庭智能用电管理系统智能交互终端设计

武东升，李中伟，孟 迪，张 啸，李立东

（哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001）

社会经济的快速发展使人们对电力的需求日益增加，鉴于发电过程带来的环境污染和用电侧的电能浪费问题，为适应未来社会经济发展的需要，全面支持清洁能源和低碳经济的发展[1]，研究用户侧智能用电技术，以实现用户电能消耗的最优配置已成为当前研究的热点。智能用电的指导思想就是采用信息化手段，利用价格杠杆，通过互动化策略，调动电力用户参与需求侧响应，实现电力负荷需求的理想化[2]。

目前，世界各国为了发展新能源、节能减排、提高电网运行效率、改善供电服务质量，都相继开展了智能用电相关研究[3]。欧美在这方面的研究起步较早，一直走在智能用电发展的前列。我国在智能用电方面的研究起步相对较晚，之前的智能用电服务还是以工业用户为主，对普通电力用户的关注度还不够[4]。近年来，随着智能电网的快速发展，家庭智能用电已逐步成为研究的热点。但是目前的研究大多还停留在理论探索阶段，各大公司以发展智能家居为主，对于如何根据电网公司发布的电价信息，结合用户的用电习惯，引导普通电力用户经济、合理用电，目前还没有很好的解决方案，业界也没有统一标准。

本文以智能交互终端为核心设计家庭智能用电管理系统，确定家庭智能用电管理系统及其智能交互终端的主要功能，设计智能交互终端硬件、软件及其通信协议，给出ZigBee和GPRS通信实现流程。

1 家庭智能用电管理系统方案设计与功能确定

根据智能用电技术未来发展趋势和国内用电环境，本文构建了家庭智能用电管理系统并确定了其主要功能。所构建的家庭智能用电管理系统如图1所示，该系统主要由智能家用电器、传统家用电器、电动汽车及其充放电设备、智能开关/插座、智能交互终端、智能手机、分布式能源（太阳能、风能发电机组和储能设备等）和智能电表等部分组成。所设计的家庭智能用电管理系统主要功能包括：

（1）采用ZigBee无线通信技术，构建包括智能交互终端、智能插座/开关、智能家用电器等装置的家庭局域网。

（2）对用户主要电器进行实时的能耗监测、控制和管理。通过智能开关/插座实时采集家用电器的用电数据，计算出家用电器的能耗、有功和无功等参数，并将这些数据上传给智能交互终端，智能交互终端通过智能开关/插座控制家用电器的运行。

（3）支持远程监控，采用GPRS与智能手机交互信息，通过智能手机APP显示各种用电设备的用电信息、工作状态、工作时间，通过智能手机APP远程控制家用电器的运行。

（4）基于各地区分时/阶梯电价或实时电价，根据用户需求并结合用户用电习惯，在不影响用户正常舒适度的基础上，以节省电费为目的，制定用电控制策略，指导用户进行合理用电。

（5）用户信息生成与管理（用户登陆时需输入用户名和密码）。

图1 家庭智能用电管理系统Fig.1 Structure diagram of home intelligent power management system

2 智能交互终端功能确定

在本文设计的智能用电管理系统中，智能交互终端作为系统的核心，负责用户户内网络的建立，协调智能插座/开关、智能家用电器、分布式能源、智能电表和智能手机等，实现各部分实时通信和信息处理等功能。根据目前电价政策，考虑实际用电环境等情况，确定智能交互终端的主要功能如下：

（1）家用电器用电数据获取及显示。智能交互终端通过ZigBee模块，与智能插座/开关和智能家用电器组建星型网络，获取家用电器用电信息并实时显示。

（2）家用电器能耗监测、控制。智能交互终端通过对获取的家用电器的能耗数据进行分析，给出家庭用电合理建议，可根据人机交互命令或者智能手机发送控制命令，对家用电器进行开/关控制。

（3）远程通信。智能交互终端通过GPRS模块与智能手机进行信息交互。

（4）分时电价设置。智能交互终端根据目前各省市实际分时电价情况，列出各省市分时电价选项，可以由用户进行选择设置。

（5）精确时间同步。为了准确获取电器的工作时间以及计算用电费用，采用GPRS模块与移动通信网络进行时间同步。GPRS模块获取的基站时间误差小，满足时间同步精度要求。

3 智能交互终端硬件设计

智能交互终端主要由主控制器、无线通信单元、人机交互单元、存储单元和接口电路等部分组成。本文所设计智能交互终端结构如图2所示，实物如图3所示。该装置主要由主控制器、GPRS模块、ZigBee模块和触摸屏这四部分组成。

图2 智能交互终端结构Fig.2 Structure diagram of intelligent interactive terminal

图3 智能交互终端实物Fig.3 Physical picture of intelligent interactive term inal

智能交互终端选用STM32F407ZGT6作为主控制器，该控制器拥有的资源包括192 kb SRAM、1024 kb FLASH、12个 16位定时器、2个 32位定时器、3个 SPI、3个 I2C、6个UART、1个 RTC（带日历功能）、1个 SDIO接口（SD卡）、1个FSMC接口以及112个通用IO口等。SD卡作为家用电器能耗数据存储器，经过初步估算，选用4G卡完全满足一年数据存储的需要。外置FLASH存储芯片，具有掉电时数据不丢失、可多次擦除、寿命长的优点，可用来存储字库、用户和电价信息等，本文选用16 M的W25X128芯片。

主控制器通过串口与GPRS模块、ZigBee模块连接，通过IO口驱动触摸屏。GPRS模块选用SIMCOM公司内嵌TCP/IP协议栈的工业级GPRS模块SIM900A。GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS充分利用共享无线信道，采用IP Over PPP实现数据终端的高速、远程接入，传输速率最高可达115 kb/s～170 kb/s，提供实时在线功能，可以实现远程数据稳定传输。ZigBee模块选用以CC2530芯片为核心的基于IEEE802.15.4标准协议的网蜂ZigBee模块，其功耗低、体积小、重量轻、使用2.4 G全向天线、可靠传输距离达250 m，可实现局域网内数据的稳定传输。触摸屏选用ATK-7′TFTLCD V2电容触摸屏模块，该触摸屏大小为7寸，分辨率为800*480，清晰度和灵敏度较高。

4 智能交互终端软件设计

智能交互终端软件设计主要包括主程序设计、人机交互界面设计、ZigBee通信子程序设计和GPRS通信子程序设计。

4.1 智能交互终端主程序

智能交互终端主程序流程如图4所示。组件、参数初始化主要包括触摸屏、SD卡、FLASH等各部分外设组件和一些设定参数的初始化设置。由于需计算用电量和用电费用，所以对时间的精确度要求较高。本文通过GPRS进行时间同步更新，经测试，与网络时间误差在0.1 s之内，满足时间精度要求。采用串行通信中断和定时器中断方式接收智能开关数据、手机控制指令、人机交互界面触摸控制命令和时间同步信息，然后根据相应状态，进行控制指令和数据的收发、数据的存储和处理、相应界面的实时刷新显示以及时间同步更新等。

图4 智能交互终端主程序流程Fig.4 Flow chart of intelligent interactive terminal main program

4.2 人机交互界面

智能交互终端人机交互界面采用Segger公司研发的emWin图形库软件进行编写。emWin作为一种高效的图形用户界面嵌入式编写软件，可以移植到众多显示控制器和嵌入式操作系统中，具有模块化的特点，并采用分层结构。emWin主要包括应用层、图形库层、驱动层和硬件层。在emWin完成显示的过程中，应用层中的用户应用程序先调用图形库层的功能函数，然后各个功能函数通过驱动层的底层驱动函数，实现对硬件的电路驱动，完成界面的显示。

人机交互界面开发的主要内容包括emWin图形库在STM32F407ZGT6上的移植和显示界面程序的编写两部分。emWin图形库在STM32F407ZGT6上的移植步骤主要包括移植emWin源文件、移植触摸屏文件到emWin软件中、修改工程参数。经过移植，emWin图形库软件可以在主控芯片上使用；经过测试，界面刷新流畅，支持汉字、图片显示，各种控件运行良好。

编写的界面包括主界面和5个二级人机交互界面。主界面用于显示当前时间和二级界面图标，通过触摸图标进入相应二级界面。当需改变家用电器工作状态时，进入家用电器工作状态二级界面，通过该界面可显示并改变当前各个家用电器的工作状态。当需调节热水器、空调这类的家用电器工作参数时，进入家用电器工作参数设置二级界面。通过该界面可显示家用电器当前工作参数，进而可通过下拉列表控件、触摸选择控制家用电器的工作参数，如空调的风量，热水器的水温等。当需了解家用电器的能耗信息时，进入家用电器能耗信息查询二级界面，该界面实时显示各个家用电器的能耗信息，包括电流、电压、频率、有功功率和无功功率等。通过用户名、密码设置二级界面和分时电价设置二级界面分别可以进行用户名、密码的设置与修改、分时电价的选择等。所设计的智能用电管理系统人机交互界面如图5所示。

4.3 ZigBee通信子程序

图5 智能用电管理系统人机交互界面Fig.5 Human-computer interaction interface of intelligent power management system

ZigBee通信网络按其拓补结构可以分为星型、树状型和网状型[5]。星型网络结构简单、支持点对多点模式、便于管理、建网容易，但是协调器节点负担接入节点数量有限；树状网络由1个协调器节点和1个或多个星型网络连接而成，协调器节点和终端节点距离较远，信息只有唯一的路由通道；网状网络是在树状网络基础上实现的，具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接通信，减少了信息延时，增强了可靠性，但是需要更多的存储空间，适合复杂通信系统。根据不同ZigBee网络拓扑结构的优缺点，考虑到室内空间较小、智能交互终端中ZigBee模块为协调器节点、接入的终端节点数量有限、实时性要求和终端节点之间不需要进行通信等实际情况，采用星型拓扑结构组件ZigBee通信网络，以达到由智能交互终端控制和管理智能插座/开关、智能家用电器的目的。

智能交互终端中ZigBee模块作为协调器节点，其功能主要为组建网络、维护网络并且与终端节点（智能插座/开关和智能家用电器）进行数据、控制指令的收发。ZigBee模块作为协调器节点的通信子程序流程如图6所示。主要工作包括搜索ZigBee可用信道，选择噪声最小的信道组建自己的网络；等待终端节点加入网络，并为其分配地址，识别其发送标识，标定其类别；实时接收终端节点数据，通过串行通信接口传输到STM32F407ZGT6或者根据STM32F407ZGT6发送的控制指令，进行标识识别，将其发送给相应终端节点，从而实现数据的中转。

图6 ZigBee通信子程序流程Fig.6 Flow chart of ZigBee communication subroutine

根据实际数据量、考虑实际需要制定ZigBee局域网通信协议，其具体格式如表1所示：“**”为开始标志；“X”表示发送和接收类型，分别为“ISRTS”（代表发送请求）、“ISCTS”（代表接收请求）；“N”表示ZigBee组网时加入的节点ID，N=0，1，2…， 若为接收时，N=-1；“Y”表示信息，智能交互终端向智能插座/开关和智能家用电器发送信息时，其为开/关控制指令；智能交互终端接收智能插座/开关和智能家用电器信息时，其为智能插座/开关和智能家用电器监测的电压、电流、频率、有功功率和无功功率等能耗信息及其工作状态；“Z”表示求和校验值，即从开始标志到校验值之间所有字符的ASCⅡ码之和；“##”表示结束标志。

表1 ZigBee通信协议Tab.1 ZigBee communication protocol

4.4 GPRS通信子程序

GPRS模块与智能手机进行通信主要有短消息（SMS）和数据（GPRS）这2种方式。通过短消息方式，GPRS模块与智能手机之间可以直接进行通信，但由于短信单次发送数据量有限，费用较高，所以本文不选用这种方式。

本文选用数据方式实现GPRS模块与智能手机之间的通信。但在通过互联网进行通信过程中，网络服务提供者需具有固定的公网IP地址才能被访问者寻址。而GPRS模块与智能手机均通过电信运营商提供的服务上网，IP由入网网关随机分配，均不具有公网IP。因此，GPRS模块不能通过数据的方式与智能手机直接通信，需要通过服务器进行中转。目前，主要有2种服务器供选择：①利用具有公网IP的计算机构建服务器。采取这种方式，传输稳定性高，但需专门维护，成本较高；②购买具有公网IP的云服务器。采用这种方式，开发难度低，运行稳定，不需专门进行维护，成本较低。考虑开发成本、后期维护等问题，本文选用第二种方式，并通过Linux、Apache、Mysql和PHP等软件搭建服务器，通过监听服务器端口，分别与GPRS模块和智能手机进行TCP连接。

GPRS拨号上网遵守PPP网络协议，实现点对点通信。拨号上网注册过程包括按照调制解调器拨号指令进行拨号、按照LCP（链路控制协议）进行PPP数据链路的建立、按照PAP（密码认证协议）或者CHAP（握手认证协议）进行身份认证、按照IPCP（IP控制协议）进行PPP链路之上IP通道的建立[6]。SIM900A GPRS模块内嵌了PPP网络协议，对外提供应用层AT指令。可以通过AT指令对GPRS模块进行配置，通过拨号上网的方式与远程服务器建立TCP连接，待连接稳定建立后，进行数据双向传输。GPRS通信子程序流程如图7所示。首先通过GPRS模块初始化配置其工作模式及数据交换类型，打开GPRS网络连接，接着设置云服务器IP、云服务器分配端口和连接模式，进行PPP拨号上网，待TCP连接成功后即可进行数据的双向通信。由于GPRS模块内的协议约定TCP连接需要心跳维持，如果长时间没有数据的收发，TCP连接很可能会被断开，再次进行数据通信时，需要重新进行TCP连接。所以在程序中设计了每隔10 s发送1次心跳，以维持连接。

图7 GPRS通信子程序流程Fig.7 Flow chart of GPRS communication subroutine

5 结语

本文给出了智能用电管理系统的设计方案，确定了智能用电管理系统和智能交互终端的组成和主要功能。以STM32F407ZGT6为主控制器，结合GPRS模块、ZigBee模块和触摸屏等组成部分，设计了智能交互终端硬件电路，并通过软件编程实现了相应功能。经过测试，所设计智能交互终端运行稳定，人机交互界面友好，实现了预期功能：可实时接收智能插座/开关和智能家用电器测量数据，存储并实时上传给智能手机；可实时接收智能手机控制指令，改变家用电器工作状态；实时显示时间、电价、家用电器能耗信息和状态等。所设计智能交互终端及其智能用电管理系统的应用，将有助于引导用户结合分时电价或实时电价调整用电习惯，进而降低其能源消费成本。

[1]封勇韬，李中伟，佟为明，等.智能用电管理系统及其上位机软件设计[J].电器与能效管理技术，2014（10）：75-78．

[2]殷树刚，张宇，拜克明.基于实时电价的智能用电系统[J].电网技术，2009（19）：11-17.

[3]Zhuang Zhao，Won Cheol Lee.An optimal power scheduling method for demand response in home energy management syetem[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2013，4（3）：1391-1400.

[4]章鹿华，王思彤，易忠林，等.高级计量架构（AMI）对智能电网下供用电关系的影响[J].电测与仪表，2011，48（5）：33-36.

[5]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计[J].电子设计工程，2011，19（16）：108-111.

[6]赵锋，王艳玮，范建华，等.GPRS终端拨号上网连接认证注册全过程研究[J].计算机工程与应用，2004，40（23）：158-160.