基于電力線載波通信的智能用電管理系統(tǒng)設計

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摘 要： 為了構建一個智能化小型電能網絡，實現(xiàn)對用電設備的精確計量和遠程控制，設計一套基于電力線載波通信的智能用電管理系統(tǒng)。系統(tǒng)整合了電能計量、電力線載波通信和繼電器等模塊，包含PLC插座，以S3C6410為智能網關核心，內嵌Web服務器，通過PC或移動終端可完成各種電器的遠程監(jiān)測和管理。測試結果表明，系統(tǒng)達到了設計要求，且結構簡單，通信穩(wěn)定，具有廣泛的應用價值。

關鍵詞： 電能管理； 電力線載波通信； 智能網關； Web服務器

中圖分類號： TN913.6?34； TP368 文獻標識碼： A 文章編號： 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

“智能互動”是智能電網的主要特點和建設目標，包括信息和電能的雙向互動，鼓勵用戶改變傳統(tǒng)的用電方式[1]。電網技術的發(fā)展使用戶從被動參與者轉變?yōu)橹鲃訁⑴c者，階梯電價和峰谷電價的推行，使電力用戶獲得更多激勵，對用電成本更敏感[2]，用戶希望獲得更準確的用電信息以合理安排用電計劃。因此，組建一個電能網絡對用電設備進行檢測計量并優(yōu)化其運行，具有極高的實用價值。

構建一個智能化的用電管理系統(tǒng)，首先要對設備進行電能計量，并聯(lián)網通信，以共享用電數(shù)據(jù)和實現(xiàn)遠程控制。對連接電網和用電設備的插座進行改造可以很好地監(jiān)控電器設備[3]。電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）利用電力線通過載波方式對模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸，無需重新鋪設專用的線纜，也不占用無線通信的頻譜資源，在低壓電網中通信穩(wěn)定，同時電力線調制解調模塊的成本也遠低于其他無線模塊，是解決智能用電系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐敕桨浮ｉ_發(fā)使用帶有計量模塊和電力線載波模塊的插座，將用電信息傳送至以S3C6410為核心的智能網關嵌入式平臺，并將該平臺接入網絡，用戶可通過PC或手機等移動終端實時查看用電信息，制定用電方案，同時也可完成對電器設備的遠程控制，實現(xiàn)智能用電的目標。

1 系統(tǒng)整體設計

該系統(tǒng)主要是由載波通信插座（PLC插座）和智能網關平臺兩個部分組成。通過電力線載波通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)的設計包括PLC插座、無線通信模塊、網關服務器和Web客戶端的設計。系統(tǒng)采用星狀拓撲結構組建獨立的電力線網絡，用電設備連接PLC插座，PLC插座和網關之間以電力線載波通信方式進行用電數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。智能網關通過WiFi連接互聯(lián)網，為用戶提供實時的Internet訪問服務，系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

用電設備與PLC插座相連，插座內置的高精度電能計量模塊完成用電信息采集后，將數(shù)據(jù)通過PLC模塊發(fā)送至網關。需要對用電設備進行遠程控制時，利用PC或移動設備在Web頁面發(fā)送操作指令，通過智能網關將指令傳至PLC插座，插座通過內置繼電器控制設備的開關。智能網關與PLC模塊、WiFi模塊之間均采用串口連接，提高了系統(tǒng)兼容性和可擴展性，組網方式也更加靈活多樣[4]。

2 系統(tǒng)硬件設計

針對智能用電管理系統(tǒng)中PLC插座和智能網關兩部分的不同功能和需求，分別選用不同的主控芯片和設計方案。

2.1 PLC插座硬件設計

PLC插座主要由微處理器、電源模塊、電流電壓采樣模塊、計量模塊、PLC模塊和繼電器組成，其功能結構如圖2所示。

本系統(tǒng)的微處理器選用意法半導體公司（ST）的STM32F103ZET6芯片。該芯片基于專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的Cortex?M3內核，是目前32位微控制器市場上功耗最低的產品，擁有512 KB的片內FLASH，64 KB的片內RAM，5路USART，3路SPI接口，1個CAN接口等豐富的資源[5?6]。電源電路如圖3所示，模塊將220 V交流電經AC?DC轉換成12 V直流電，使用LM317芯片，可提供5 mA～1.5 A的穩(wěn)定電流；模塊提供兩路供電：一路為PLC模塊提供12 V電壓；另一路經DC?DC轉換為5 V電壓，為主控制器和計量芯片供電。設計中使用3個430 kΩ電阻串聯(lián)分壓方式實現(xiàn)電壓采樣，使用電流互感器實現(xiàn)電流采樣。

電能計量電路如圖4所示，計量芯片采用合力為科技的HLW8012，它是專門面向智能插座和智能家居應用的一種高精度低成本電能計量解決方案，高頻脈沖CF指示有功功率，在1 000∶1范圍內可達到±0.2%的計量精度[7]。為了提高通信抗干擾能力，選用KQ?130485K作為PLC模塊[8]，其工作頻率在113～120 kHz，接口波特率9 600 b/s，接收靈敏度≤1 mV，帶外抑制能力≥60 dB，帶寬≤10 kHz。模塊包括了載波驅動、耦合、濾波等外圍電路，在12 V工作電壓下，通過兩根RS 485信號線連接RS 485總線，并將其兩個AC端與220 V電力線相連，即可在處理器控制下實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，極大地簡化了硬件設計。

2.2 智能網關硬件設計

智能網關是該用電管理系統(tǒng)的控制核心，負責系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，并通過以太網和無線模塊與上位機交換數(shù)據(jù)，傳送電器的用電信息和運行狀態(tài)信息，接收用戶的控制指令，其功能結構如圖5所示。

智能網關主要包括主控制器、電源模塊、實時時鐘、LCD顯示模塊、存儲模塊、以太網模塊、PLC模塊和WiFi模塊等。主控制器選用基于ARM11的SAMSUNG S3C6410芯片[9]。電源模塊和PLC模塊選用和PLC插座相同的設計方案。以太網控制器選用DM9000芯片，芯片集成10/100M自適應收發(fā)器和4 KB的雙字SRAM，物理協(xié)議層接口完全支持非屏蔽雙絞線，配合網絡變壓器和RJ45以太網接口，可以方便地接入網絡。WiFi模塊選用基于德州儀器公司CC3200芯片方案的USR?C322無線模塊，內置Cortex?M4內核，運行頻率達80 MHz，具有超低功耗運行控制機制，在網功耗低至3.5 mA；模塊通過UART接口與網關進行連接，實現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)網功能。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 PLC插座軟件設計

PLC插座負責完成用電設備的開關控制、電能計量、數(shù)據(jù)存儲及與網關的通信。PLC插座的程序主要實現(xiàn)各功能模塊的管理和調度，其流程如圖6所示。

系統(tǒng)上電后完成STM32F103ZET6和KQ?130485K載波模塊串口的初始化，并讀取當前系統(tǒng)時鐘。HLW8012芯片完成電能數(shù)據(jù)采集后，發(fā)送高頻脈沖CF和CF1給STM32F103ZET6，后者開啟串口中斷，接收并存儲數(shù)據(jù)。當處理器接收到來自網關的數(shù)據(jù)傳送指令后，控制PLC模塊將有功功率、電流有效值和電壓有效值發(fā)送給網關，然后進入等待狀態(tài)。一旦接收到來自網關的用戶控制指令，處理器中斷當前用電數(shù)據(jù)采集任務，響應用戶指令，判斷是否對繼電器進行操作以改變用電器的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的部分代碼如下：

3.2 智能網關軟件設計

3.2.1 智能網關軟件系統(tǒng)架構

智能網關軟件系統(tǒng)由硬件抽象層、操作系統(tǒng)層和應用層三個部分組成。軟件系統(tǒng)的設計主要包括嵌入式系統(tǒng)的移植、底層驅動開發(fā)、嵌入式Web服務器的移植和通用網關接口（Common Gateway Interface，CGI）程序開發(fā)。設計采用Linux操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)的軟件平臺。Linux源代碼開放，內核高效穩(wěn)定，實時性高，支持多種體系結構，廣泛應用于各種嵌入式設備。

硬件抽象層是操作系統(tǒng)內核與硬件電路之間的接口層，它將硬件抽象化，隱藏了特定平臺的硬件接口細節(jié)，為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺，使其具有硬件無關性，提高了系統(tǒng)的可移植性。硬件抽象層包括引導加載程序和硬件驅動等。智能網關軟件系統(tǒng)的應用程序主要包括嵌入式Web服務器和電能管理程序兩部分。

3.2.2 嵌入式Web服務器的實現(xiàn)

嵌入式Web服務器多采用B/S結構，用戶通過瀏覽器向服務器發(fā)送連接請求，服務器確認用戶請求的合法性后，與瀏覽器建立TCP/IP連接，偵聽瀏覽器請求并按HTTP協(xié)議規(guī)范進行解析，根據(jù)請求內容將執(zhí)行結果返回給瀏覽器。智能網關系統(tǒng)使用Boa作為Web服務器，它是一種單任務的嵌入Web服務器，精簡高效，源代碼開放，系統(tǒng)占有率低，廣泛用于各種嵌入式設備。

構建智能網關Boa服務器主要包括以下步驟：

（1） 解壓Boa源代碼生成Makefile文件，修改文件中的編譯工具和編譯方式，即將CC=gcc改為CC=arm?linux?gcc，PP=gcc?E改為arm?linux?gcc?E，重新make編譯生成可執(zhí)行的Boa文件；

（2） 配置Boa服務器，主要是修改用戶權限和訪問路徑，打開Boa.config文件，將User nobody改為User 0，group nogroup改為Group 0，將Document Root/var/www改為Document Root/var/html。完成后重新編譯內核，并下載到智能網關[10]。

3.2.3 CGI程序設計

CGI定義了Web服務器和其他可執(zhí)行程序之間進行交互的接口標準，用來實現(xiàn)客戶端網頁與Web服務器之間的數(shù)據(jù)交互。瀏覽器通過Web表單請求CGI程序，服務器響應請求并調用對應CGI程序進行處理，同時返回數(shù)據(jù)給網頁。CGI程序可以使用任何一種具有標準輸入、輸出和環(huán)境變量的編程語言編寫。本設計采用C語言編寫CGI，以方便調用Linux系統(tǒng)的底層驅動程序[11]。智能網關中CGI的程序流程如圖7所示。

4 系統(tǒng)測試

為了測試系統(tǒng)PLC通信的穩(wěn)定性，考慮到電網負荷的變化對PLC通信的影響，選取了一天當中4個不同的時間段進行數(shù)據(jù)收發(fā)測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。測試結果表明，PLC通信數(shù)據(jù)準確率在98%以上，系統(tǒng)具有較高的通信穩(wěn)定性。

將用電設備與PLC插座相連接，設置好智能網關的IP地址，在PC或手機終端通過瀏覽器訪問該地址，登錄到系統(tǒng)頁面，可查看用電設備的電能數(shù)據(jù)，并可進行遠程控制。系統(tǒng)的運行界面如圖8所示。當新增PLC插座節(jié)點時，不需復雜的系統(tǒng)設置，即可及時準確地完成數(shù)據(jù)和指令的傳送，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也不受PLC插座節(jié)點增減的影響。

5 結 語

設計了一套由PLC插座和智能網關組成的智能用電管理系統(tǒng)，充分利用低壓電網PLC成本低、組網簡單、性能穩(wěn)定的優(yōu)勢，結合成熟的網絡通信技術，實現(xiàn)了小型用電網絡的智能化管理。

通過該系統(tǒng)，用戶可以實時監(jiān)管電器的用電和運行狀態(tài)信息，制定合理的用電計劃，實現(xiàn)設備的優(yōu)化運行和遠程監(jiān)控，具有很好的應用前景。

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