基于能耗管理的智能家庭網關設計與實現

劉 凱，戚銀城

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003）

基于能耗管理的智能家庭網關設計與實現

劉 凱，戚銀城

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003）

針對目前傳統智能家居技術偏重于實現家居智能化與自動化的現狀，提出一種穩定可靠的智能家居策略，將家庭能耗管理與家居智能控制相結合。家庭內部組網的核心設備是智能家庭網關，對底層具有能耗采集模塊的設備進行控制。該網關采用ARM9系列LPC3240處理器和RF433 MHz無線通信技術并自定義通信協議，軟件設計采用一套多任務、單進程多線程的設計方案。采用黑盒測試的方法對網關進行測試，最終網關的穩定性達到要求且能耗數據采集功能順利實現。

智能家居；家庭能耗管理；LPC3240；RF433 MHz通信協議；多任務單進程多線程；黑盒測試

物聯網技術的飛速發展使得家居自動化與智能化已逐漸成為現實，但是其在應用上的推廣還不是十分成熟[1]。文獻[2]提出，由于人類社會面臨的能源環境壓力越來越大和國家建設堅強智能電網的進程，傳統的智能家居已不是滿足社會和人們需求的最好方式，只有將傳統的智能家居與現代家庭能耗管理的理念相結合，才能緩解能源環境壓力并促進智能家居的產業化發展。將能耗管理策略與智能家居技術有效集成，也是智能電網關鍵技術研發項目中智能配用電領域中十分重要的環節。

文獻[3]提到家庭能耗管理的概念，認為需要在用電側提高電力能源的使用效率，采取各種措施鼓勵用戶共同拉平電力負荷曲線，并提出在大功率家用電器上可以增加通信和智能模塊，對變化的電價做出響應，最終不僅實現家庭自動化，而且能夠加強家庭能耗管理。文獻[4-6]通過對不同地區和不同生活習慣的人進行調研，提出行為節能是減少家庭能耗最有效的途徑。所以將家庭能耗管理融入到智能家居中，通過改變人們的生活方式來改變用戶用電習慣，這樣具有非常重大的意義。

智能家居行業未能廣泛應用的一個主要原因就是國內外一直未能有統一的智能家居行業標準及規范。當前采用技術主要有ZigBee和Z-Wave技術，然而ZigBee技術由于受功耗限制，穿透力較差，極易受家具或墻壁影響；而Z-Wave雖然能夠克服上面問題，但非開放式標準，存在系統兼容性問題[7]。本文提出采用433 MHz這一低頻段無線射頻技術實現智能家居系統的解決方案，其室內傳輸能力強，頻點較多能夠解決信道干擾問題，節點成本低且開發難度小[8]。本文通過先進的智能用電技術，構建了全新的智能家居產品系統架構和應用層協議，支持多種通信方式和通信協議智能家居產品的統一接入、管理和控制，對消費者接受智能家居有巨大的推進作用，有助于相關產業的發展。

本文闡述了一種穩定可靠、方便管理、便于推廣的智能家庭網關設計，通過黑盒測試證明了其穩定性和能耗采集功能的實現。目前正在北京、上海、江蘇、湖南、河北、遼寧等省十幾個試點小區進行應用，最新的商用版本于2014年6月在貴陽市進行試點，用戶可以通過手機、Pad、電視等終端設備實現對智能空調、智能熱水器、智能燈光和智能插座進行遠程控制、用電信息查詢、電費繳納等基本功能。同時集成第三方的社區、安防、監控等功能也進一步擴展智能家居相關服務內容，滿足了用戶的多種業務需求。用戶可以方便地實現對家電的管理，遠程控制、定時開關，還可以直觀地看到家庭能耗情況，做出相應調整。

1 智能家居系統結構

智能家居系統業務架構分5層，分別為設備云服務層、設備路由層、核心服務層、終端路由層和終端云服務層，每層都采用多服務集群部署，具體架構如圖1所示。

圖1 智能家居業務系統架構圖

設備云服務層同時為智能家居設備提供網絡長鏈接和短鏈接服務，同時將設備鏈接的信息發送給設備路由層保存。設備路由層是設備傳遞信息的路由通道，服務器通過設備路由層查找設備連接信息并下發控制指令，設備通過路由層上傳電量和同步信息。核心服務層提供家居控制、用電分析、用戶身份認證等核心智能家居相關服務。終端路由層是手機、平臺等終端設備傳遞信息的路由通道，是實現終端設備同步和信息推送的重要環節。終端云服務層為終端設備提供注冊、登錄、控制和查詢等功能的接入服務，同時將接入信息發送到終端路由層保存。

智能家居系統由遠程控制終端、服務器和家庭內部網絡3部分組成，如圖2所示為智能家居系統網絡架構圖。通過PC、手機和平板電腦等終端設備可以隨時隨地對家庭能耗進行查詢與管理。通過服務器實現與遠程控制終端和家庭網關的交互，并儲存家庭能耗數據。智能家庭網關為家庭內部網絡與外部網絡交互的接口，是整套智能家居系統中的關鍵環節：對上實現了與服務器的信息通信，對下實現了與智能插座和智能家電設備的信息通信；將服務器下達指令進行協議轉換并下發給插座；實現對插座及其他智能家居設備的控制；向服務器上傳采集到的能耗數據。

圖2 智能家居系統網絡架構

遠程控制終端和家庭網關與服務器之間遵守對應的RF433 MHz通信協議，分別進行交互，用戶命令通過服務器下發給網關，網關完成對智能家電和智能插座的控制；智能家電和智能插座的反饋信息和能耗數據通過網關上傳至服務器并進行存儲，方便用戶查詢和進行能耗分析。另外，本系統可以兼容WiFi協議。

從功能需求進行分析，通過對上述功能進行分類，可以將其劃分為5個功能模塊：1）通信模塊，與服務器之間通信，包括接收服務器指令和向服務器發送指令。2）指令解析模塊，對指令進行解析分類，對不同類型的任務分類處理，放入相應任務隊列。3）串口模塊，與下層智能家電和智能插座的通信，將指令下發給電器和智能插座，并接收來自電器和智能插座的反饋信息。智能插座和智能電器具有能耗采集模塊。4）即時任務處理模塊，對即時任務的處理，并發送反饋信息。客戶端軟件發起的能耗查詢任務屬于即時任務，例如，當用戶查詢某電器設備某一時刻功率時，服務器接到用戶指令下發給網關，網關解析指令后控制家庭內部網絡相應節點進行功率數據采集并返回給服務器。5）定時任務處理模塊，對定時任務進行處理，并返回反饋信息。在用戶未發起查詢功能時，網關定時采集底層設備的耗電量、功率等能耗數據，即一般情況能耗采集屬于定時任務。

對于每一類型功能設計，服務器與網關之間有專門的通信協議，服務器負責設備底層通信協議幀的拼裝，網關負責任務的解釋、執行以及返回。

2 智能家庭網關的硬件設計

根據智能家庭網關的需求分析，為了達到預期功能，對硬件進行選型和對軟件進行設計，核心板功能模塊框見圖3。

圖3 控制中心核心板功能框圖

2.1 處理器及其外圍電路

網關采用NXP公司的ARM9處理器LPC3240，其IO電壓為3.3 V，內核電壓為1.2 V。處理器的普通IO可直接使用3.3 V系統電源VCC 3.3 V，內核電壓VCC_CORE由VCC3.3 V二次降壓得到，LPC3240的外部總線模塊電壓VCC_EMC和AD模塊電壓VCC_AD均由VCC3.3 V經過LC濾波得到，LPC3240的鎖相環模塊電壓VCC_PLL由VCC_CORE經過LC濾波得到。處理器需要雙時鐘：主時鐘和RTC時鐘。主時鐘使用13 MHz無源晶體振蕩器，經鎖相環分頻、倍頻到208 MHz；RTC時鐘直接使用32.768 kHz無源晶振得到。LPC3240處理器支持ISP啟動和NAND Flash啟動，兩種啟動方式之間可通過跳線進行選擇。SERVICE_N信號直接與LPC3240的C15引腳（GPI_01/SENVICE_N）連接。處理器復位電路選用專用復位芯片SP706S，復位電壓為2.93 V，支持上電復位、手動復位、電壓異常復位和WDT超時復位。由于SP706S的復位輸出電平為3.3 V，而LPC3240的復位信號輸入引腳電平為1.2 V，因此使用74LVC2G07做電平轉換，將3.3 V電平轉換為1.2 V。以太網、USB等外設的復位直接使用處理器的復位輸出信號。LPC3240完成復位后，會在G4引腳輸出一個3.3 V電平的復位信號，此復位輸出可直接應用于外設復位。

2.2 以太網物理層電路

LPC3240處理器內部集成以太網控制器的MAC層，因此只需要連接一個PHY（物理層）接口芯片和相關電路。LPC3240可以支持MII和RMII兩種接口，為節省引腳資源，選用RMII接口。本網關選擇的PHY芯片KSZ8041NL是一款單芯片10/100M以太網物理層收發器，它具有功耗低、體積小、波形穩定、成本低等特點。

KSZ8041NL與LPC3240處理器之間的接口電路如圖4所示，包含數據接口和管理接口。數據接口包括數據發送信號TXD[0]、TXD[1]，發送使能信號TXEN，數據接收信號RXD[0]、RXD[1]，載波偵測信號CRS；管理接口包括管理數據時鐘信號MDC，管理數據I/O信號MDIO。

KSZ8041NL的一些引腳說明：28腳上拉和18腳下拉將芯片配置為RMII接口模式；15腳上拉表示將的地址設置為“00100”，用于管理接口訪問時使用；20腳下拉表示工作在正常模式下；30腳上拉表示工作在自適應模式；10腳同地之間的6.49 kΩ電阻是用于調整輸出電流；4，5，6，7腳經過49.9Ω電阻連接到RJ-45的隔離變壓器；8，9引腳為時鐘輸入引腳，時鐘頻率為50 MHz。

2.3 智能控制模塊

能耗管理功能的實現主要通過智能控制模塊對底層設備的控制來完成，底層設備配置有CS-5463等不同類型的能耗數據采集模塊，網關智能控制模塊在相應時刻收集所需數據。

對家庭內部網絡中智能插座、智能電器以及安防子系統的控制分別采用不同的控制模塊：智能插座控制模塊、智能家電控制模塊和無線安防接收器。智能插座控制模塊（MOD1）與LPC3240通過UART3進行通信，接口信號為U3_TX和U3_RX。MOD1的復位信號可使用系統復位（SYSRESET），也可使用模塊內部復位，通過JP4選擇。MOD1_HB信號為智能插座控制模塊的心跳信號，用于指示模塊工作是否正常。

對于智能家電的控制，目前只支持美的智能家電控制器。智能家電控制器與LPC3240處理器之間使用UART接口進行通信，使用LPC3240的UART4。

安防子系統支持美安無線安防接收器，無線安防接收模塊與LPC3240之間使用UART接口通信。

圖4 以太網物理層接口電路

3 應用層協議設計

本智能家居系統采用RF433 MHz無線通信方式，采用自定義的應用層通信協議，分為上行協議和下行協議，上行協議是智能家居系統服務器與智能家庭網關之間的應用層協議，下行協議是智能家庭網關與硬件設備間的應用層協議。服務器負責設備底層通信協議幀的拼裝，網關負責任務的解釋、執行以及返回。上行應用層協議根據功能類型分為9大類，每一類采用不同的指令類型，協議內容的基本格式為：#網關識別碼#設備類型碼#網關程序版本號#指令序號#指令類型#，對于不同類型任務需要添加更多字段，例如添加、刪除設備類指令需要添加設備同步碼、設備認證碼等字段，指令操作類查詢設備狀態，需要添加指令條數字段。表1中舉例顯示部分典型上行協議。

4 智能家庭網關的軟件設計

軟件的實現采用多服務、單進程多線程的方案，主要包括以下3種服務：1）主進程服務負責應用層廣域網接入、設備層低速網接入、并執行指令任務且即時返回處理結果等操作；2）啟動服務負責在系統啟動時，調用相關應用、服務并配置運行環境、監控守護線程等操作；3）升級服務負責提供網關應用程序等相關文件的升級、配置等操作。

將主進程中的5個功能模塊分別用5個不同的線程來實現：主線程完成對即時任務的處理；用戶可以隨時查詢電器瞬時功率，對電器的耗電情況深入了解；輔線程1用來完成與服務器間的Socket通信；輔線程2對服務器下發指令進行解析，對不同任務分類處理；輔線程3對定時任務進行處理，包括定時查詢功率和耗電量，定時開關電器等；定時查詢功率和耗電量即為能耗管理的關鍵環節，將采集到的數據存入服務器，方便用戶隨時查看，根據數據改變用電習慣；輔線程4完成網關與底層智能家電和智能插座的串口通信。圖5通過命令和任務的傳遞途徑顯示了程序的總體流程。能耗管理需要各線程協調工作，并主要由主線程和輔線程3實現。

5 網關測試

網關的測試主要通過黑盒測試完成，即不關心網關內部實現，只看是否能夠完成設計的功能，測試從操作控制的穩定性和能耗數據的采集兩方面進行。圖6為網關實物圖。測試時保證后臺服務器正常運行，手機客戶端軟件也正常運行，家庭網關每一項功能的順利完成都是在服務器和客戶端軟件的參與下，由網關內各線程協調配合完成。所以只有所有線程都保持正常，每一項功能才能順利執行。

表1 應用層上行協議

圖5 智能家庭網關任務流程圖

圖6 智能家庭網關實物圖（照片）

5.1 穩定性測試

在10 m×10 m的房間內，網關和智能插座位置隨意擺放。經過多輪反復測試和Bug修改，網關上電后，網關的初始化、向服務器進行注冊，都能順利完成。

測試的主要內容主要包括：獲得網關識別碼、獲取程序版本號、解析域名獲取服務器IP和端口、讀取現有設備信息；添加、刪除智能插座；設置、取消、執行定時任務，完成對插座的定時開關控制；對插座的即時開關控制。在斷電、重啟、意外關閉等不同情況下分別進行測試，測試過程中所有功能均可以順利完成，穩定性達到要求。

5.2 能耗數據采集功能測試

能耗數據采集是定時循環任務，可以通過終端設備進行設置，測試中設置為功耗采集60 min對進行一次，功率采集10min進行一次。底層設備采集到數據后發送給串口，網關再上傳服務器進行保存。本測試中，在智能插座上接入一臺飲水機，測試時間為一個月。每隔10 min上傳一次功率信息，每隔60 min自動上傳一次耗電量信息，在測試全程均未出現數據采集失敗、錯誤或上傳失敗現象。

6 結束語

在傳統的智能家居系統實現家居控制自動化與智能化中，很少涉及或穩定實現家庭能耗管理。本文提出一種基于能耗管理的新型智能家居系統策略，并完成了其中智能家庭網關的設計與實現。基于ARM9硬件環境，采用自定義的433 MHz無線通信協議，完成了嵌入式應用軟件編程，不但可以實現對家電和插座的智能控制，而且可以采集家庭能耗信息，上傳服務器供用戶和供電公司分析使用。對于如何推廣自定義433 MHz通信協議和進一步兼容WiFi協議，有待進一步研究，也是下一步工作的重點。

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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

劉 凱，研究生，主要研究方向智能用電、嵌入式、無線通信，為本文通信訊作者；

?? 雯

2014-07-13

【本文獻信息】劉凱，戚銀城.基于能耗管理的智能家庭網關設計與實現[J].電視技術，2014，38（21）.

國家“863”計劃項目（2011AA05A117）

戚銀城，教授，主要研究方向圖像處理，信息安全，無線通信。