一種基于WiFi和ZigBee通信的家庭用電管理系統

張保增，陳新春，胡東方，鄭記濤

（河南許繼儀表有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

隨著全球能源消耗不斷加大，全球氣候變暖已成為威脅人類生存的重大問題。因此，提高電能利用效率越來越成為社會的要求。研究如何實現家庭電能消耗的最優配置和探求有效的電能節約途徑成為研究的熱點[1]，并出臺了相應的標準[2-4]。

對用戶來說，節能減排的最大動力就是能夠節約電費。雖然目前市場上已經出現了諸多的節能電器，例如節能燈、節能空調、節能冰箱等，但是對這些電器的節能效果用戶只有能依據廠商宣傳的概念，并沒有這些電器耗能具體數據 （換算成電費），無法對電器的節能與自己的投資進行比較。目前國內僅對用戶安裝一塊電能表，用戶可以知道自己家庭每個月使用的總電費，但卻不知道這些電費都用到了什么方面，也就沒辦法針對關鍵耗能設備進行有效的節能，有效地推進節能。

智能家居的提出使得人們可以自動地實現對家用電器的控制。目前的智能家居系統對家庭設備的控制和舒適性的研究較多[5-6]，但對于家庭節能的方面研究較少。對于家庭節能的研究主要集中在理論和總用電模式方面。聚類集成的算法可以對用戶用電的特征進行識別[7]，但無法進行相應的、有效的調整。

本文主要實現了一種基于家居節能的智能家居系統，通過對智能開關和智能插座所計量電能的計量和統計，可以得到家庭用電的統計數據，同時可以自動設計用電方案來控制家庭用電。

1 系統方案

整個方案包括外網和內網部分，智能家居系統通過以太網接入外網中，通過網關轉換為家庭內部WiFi網。系統架構圖如圖1所示。

圖1 智能家居系統架構圖

管理中心是智能家居系統的核心設備，負責用戶的用電設備集中接入和控制，并對設備用電信息進行收集、處理和存儲。同時，管理中心接收網關和PAD的WiFi命令，同時實現與室內智能終端（智能開關、智能插座等）的通信。PAD可以實現與用戶的界面交互，用戶可以通過PAD實現對智能家居設備的控制和狀態查詢，以及設置智能用電控制方案。

2 系統網絡設計

智能家居系統可以劃分為外部網、網關和內部網3個部分。外部網采用以太網技術。常用的內部網目前主要有有線和無線兩種方式。其中無線方式和電力線載波方式無需重新布線，在智能家居中得到了廣泛的應用。

在本方案中，內部網有WiFi和ZigBee兩種方式。WiFi屬于近距離無線通信技術的一種。WiFi通信方式有 AP（Access Point）-STA（Station）組網方式與 Peer-to-Peer兩種組網方式[8]。這里采用AP-STA方式。網關作為WiFi的訪問點（AP），PAD 和管理中心作為站點（STA），這樣可以有多個PAD或者主站同時訪問系統。WiFi具有較高的無線通信速率，可以實現PAD、網關與管理中心之間大量數據的快速通信。

管理中心與各終端設備之間采用ZigBee通信技術。ZigBee是一種短距離無線網絡技術，具有低功耗、低復雜度、自組織網、低數據速率的特點。ZigBee傳輸速度為20 kb/s～250 kb/s，傳輸距離介于 10 m～100 m[9-10]，國內的通信頻率在 2.4 GHz。相對于 WiFi通信方式，ZigBee速率較低，功耗較小，具有自動組網路由功能，可以根據通信環境自動切換到合適的頻道。

ZigBee網絡層支持三種網絡拓撲結構，即星型結構（Star）、簇狀結構（Cluster tree）和網狀結構（Mesh）。 本系統中采用網狀結構，這樣可以實現室內各通信節點的路由。管理中心 ZigBee設計為ZigBee協調器（Coordinator），其余產品中ZigBee設計為ZigBee路由器（Router）。為了簡化設計，本系統中的ZigBee封裝為一個ZigBee模塊，模塊與控制裝置之間使用UART口進行通信。

當完成系統的安裝上電后，室內ZigBee網絡組網過程如下：使用手持設備讀取各終端ZigBee的MAC地址把各終端ZigBee的MAC地址輸入到管理中心內，管理中心再把MAC地址添加到ZigBee協調器內，各ZigBee節點自動加入到協調器中，組織成一個網絡。

ZigBee在系統中的配置如圖2所示。

圖2 智能家居系統中ZigBee配置

3 管理中心的設計

管理中心接收各終端的數據，同時把各種用戶對終端的操作通過ZigBee下發到終端，完成對終端的操作。同時存儲和分析用戶的電能數據，實現對家庭用電的智能控制。

3.1 管理中心硬件設計

管理中心的硬件框架圖如圖3所示。

圖3 管理中心的硬件框架圖

管理中心基于ATMEL的ARM9主處理芯片進行設計，芯片主頻為 1 GHz，內存為 512 MB，程序 Flash空間為8 MB，數據存儲Flash空間為128 MB。管理中心電源由外部5 V電源供電。通過485總線，可以實現對管理中心的WiFi等參數的配置。管理中心也可以通過485總線讀取其他設備的數據。完成配置后，管理中心WiFi登錄網關的訪問點，加入WiFi網絡。同時PAD也加入室內的WiFi網絡，PAD可以通過WiFi通道對管理中心進行參數設置和用電方案的設置，以及讀取用電數據等。

3.2 管理中心的軟件設計

管理中心的軟件基于Linux 內核，采用C++編程語言進行開發。Linux是一套免費使用和自由傳播的類U-nix操作系統，是一個基于POSIX和Unix的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的操作系統。Linux的內核精簡而高效，可修改性強，支持多種體系結構，而且具有非常好的網絡性能[11]，同時免費使用也使得Linux操作系統越來越多地用于嵌入式軟件開發。

與傳統的智能家居不同的是，本管理中心中加入了對用電量的采集和控制功能。用電量采集的UML序列圖如圖4所示。

圖4 讀取用電數據UML序列圖

廣播凍結的方式使得各終端的電量凍結時間高度一致，保證統計精確度。管理中心內部有實時時鐘芯片，在掉電情況下利用電池對實時時鐘芯片供電，保證實時時鐘的準確性。用戶可以根據需要設置凍結的時間間隔，得到相應的用電曲線。

當用戶需要了解用電情況時，可以用電腦主站軟件通過以太網訪問管理中心的用電數據，或者使用PAD通過WiFi網絡訪問用電數據，在電腦或者PAD上顯示出用戶的用電曲線以及用電統計數據。用戶可以根據用電情況制定相應的用電方案。

4 終端產品的設計

終端產品主要包括智能開關和智能插座等產品，同時也可以接入其他WiFi或ZigBee設備。智能開關與智能插座可以實現對電器產品的通斷電控制，同時實現對電器用電的檢測和用電情況的上傳。

4.1 硬件設計

由于智能開關與智能插座內的空間有限，要實現諸多功能，硬件計量采用了單芯片計量方案，采用V9811芯片作為主芯片。V9811與ZigBee模塊之間通過UART口通信。

硬件架構圖如圖5所示。

圖5 計量終端硬件框架圖

V9811是一款單相電能計量SoC芯片，它集成了模擬前端、電能計量模塊、增強型 8052內核、RTC、WDT、Flash、SRAM和LCD驅動等功能，可為單相多功能電能計量提供單芯片解決方案。V9811芯片具有128 KB的Flash存儲器，具有寫保護和加密功能，支持ISP和IAP，具有4 KB外部SRAM存儲器。

電壓使用電阻分壓電路進行采樣，電流使用錳銅分流器進行采樣，V9811芯片采用UART口與ZigBee模塊進行通信，液晶顯示使用V9811集成的LCD驅動進行顯示（智能開關沒有液晶顯示）。

4.2 軟件設計

軟件設計代碼采用C編程語言進行編寫。端口主要有調制型紅外端口和ZigBee串口。當累計夠0.01 kWh時，累計電量。當發現掉電事件時，把電量存儲進EEPROM中，保證電量掉電不丟失。在智能開關中，沒有數據顯示。

計量終端實現對用電量的計量，當收到管理中心的控制或者查詢命令時，實現對設備用電的控制和用電情況查詢。當檢測到用電異常時，計量終端向管理中心上報用電異常情況。

5 系統運行效果

系統運行中，WiFi與ZigBee通信均正常，沒有出現堵塞或者斷線情況。使用本家庭能源管理系統后，用戶不但可以使用PAD、手機或遠程主站控制自己的家用電器通斷電，還能觀察自己家庭的用能曲線圖，以及各種電器的用電組成。從PAD上看到的家庭用電情況如圖6所示。

圖6 家庭用電組成統計餅圖

圖7 用電設備的用電柱狀圖

6 結論

本文實現了一種基于智能用電的智能家居方案。方案通過WiFi和ZigBee無線通信作為室內通信方案，采用智能開關和智能插座用來控制和計量室內各線路的用電量，管理中心定時采集各智能開關、智能插座的用電數據，生成用電曲線，方便用戶得到用電詳細清單，同時實現智能用電。

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