基于FreeRTOS的智能用電監控系統

劉迎澍，楊珂，丁緯航

（天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072）

在未來的智能電網架構中，靈活互動的智能用電管理將成為其中的重要環節。因此，研究高效、便捷的樓宇、家居智能用電管理技術，對于充分合理利用電力資源、實現精細化管理以及節能減排具有重要意義[1-3]。

為了滿足樓宇、家居智能用電管理的需要，必須實時采集各種電氣設備的運行狀態，如負荷電能消耗、分布式可再生能源及儲能單元的運行狀態、電能質量及報警事件等信息[4-7]。這樣一方面可以向電能向用戶展示實際的供電、用電情況；還可以通過分析樓宇、家居的具體時段用電量、具體負荷用電量、歷史用電量等信息，結合當前市電及可再生能源的電能質量和電價結構，來制定、選擇合理的用電管理控制策略[8-10]。

1 智能用電監控系統

面向智能樓宇和智能家居的智能用電監控系統如圖1所示，系統的核心是一個多功能的智能用電管理單元，也可稱為“電能網關”。該裝置配備交、直流電氣接口，可以連接市電、分布式電源、儲能單元及各種交直流負荷，并具備豐富的交、直流監測以及通信和管理功能。

圖1 智能用電監控系統框圖

智能用電管理單元由主控制、電氣接口和一組交、直流電能計量模塊構成。主控制器由ARM Cortex-M3核心板、基本IO接口電路、人機接口模塊（帶觸摸功能的液晶屏）、數據存儲模塊（SD卡）、以太網通信模塊和RS485接口構成。各部分的主要功能如下：

1）微處理器是基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103ZET6，該處理器具有功能強大的硬件資源以及內容豐富的程序固件庫，非常適合于智能家電、工業控制等眾多應用場合；

2）電氣接口相當于一組智能插座，系統內部的各種交、直流電氣設備可以直接、或通過插座間接連接到用電接口；

3）交、直流電能計量模塊的功能非常豐富，通過與電氣接口相連，即可以測量各種用電負荷的實時用電量，還可計量市電的用電量和分布式電源（如光伏電池）的發電量，而且能夠實時測量市電和分布式電源的電壓、電流、頻率及功率因數，從而為電能用戶、以及用電管理部門提供詳實的電能信息；

4）交、直流電能計量模塊通過RS485接口將測量的電能實時信息傳輸給主控單元，后者可通過人機接口模塊（液晶屏）實時顯示各種設備的用電信息、以及電源和儲能單元的運行狀況，并將這些實時數據存儲在數據存儲模塊（SD卡），還可以通過以太網通信模塊將這些信息上傳。

慶歷二年，遼國以重兵壓境，求關南十縣之地。朝廷欲派人前去談判，但在廷之臣無敢行者，在此緊要關頭，有人建議富弼出使遼國，與遼國議和。而當富弼出使回來再度使遼時，路上發現所受政府國書與政府口傳之辭不符，于是緊急回朝：

智能用電管理單元的硬件如圖2所示。圖中的交、直流電能計量模塊分為兩組，一組是電源側計量模塊，用于連接市電、分布式電源和儲能單元；另一組是負荷側計量模塊，用于連接各種交、直流負荷。

圖2 智能用電管理單元

2 基于FreeRTOS的智能用電管理軟件

2.1 智能用電管理軟件結構

智能用電監控系統的軟件可以用圖3所示的分層結構來表示。根據軟件的功能，自下而上依次可劃分為硬件驅動層、系統層、應用服務層和應用層。

圖3 智能用電監控系統軟件架構

1）硬件驅動層

該層提供ARM Cortex-M3處理器及核心板配置的基本IO驅動程序，如SRAM與FLASH驅動、實時時鐘驅動、HMI驅動（液晶屏顯示及觸摸）、電源管理驅動、以太網模塊驅動、串行總線驅動（RS485、SPI）、SD卡驅動等。

2）系統層

系統層運行的是具有多任務特性的硬實時操作系統—FreeRTOS的內核[11-12]。系統層是電能監控軟件的核心，向下為各種硬件驅動程序提供基本的IO訪問接口，向上為電能監控系統的各個應用程序提供統一的管理、調度環境。

作為一款輕量級的嵌入式操作系統，FreeRTOS提供了任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄等功能。由于具有源碼公開、可移植性好、裁減方便、調度策略靈活等突出優點，FreeRTOS已在智能家電、工業控制、電力系統等眾多領域得到廣泛應用[13-15]。

3）應用服務層

提供與應用程序相關的軟件驅動模塊，如vfat文件系統驅動、malloc堆內存操作驅動、多任務安全事務鎖驅動、LWIP（輕量級TCP/IP協議棧）等。

4）應用層

實現了基于多任務的電能計量、設備監控及信息處理等功能，主要包括：實時數據采集、數據存儲及顯示、信息上傳及下載、用電數據分析及管理策略制定、故障檢測及報警等。

2.2 智能用電管理軟件的任務管理機制

由于FreeRTOS的硬實時特性，通過多任務機制，使電能管理系統中的每一個節點（光伏逆變器、電池管理模塊、交、直流電能計量模塊等）的監測與控制單獨用一個任務去完成，由操作系統來完成任務開銷的分配，各應用程序模塊只需要實現各自的具體操作，而無需負責向底層的每個任務分配CPU、存儲器、定時器等系統資源。

此外，FreeRTOS允許多個任務運行在相同的優先級，因為某些特定的應用情景下，并不能很嚴格的區分每個任務的優先程度，可以使用相同的優先級，使得每個任務對于系統資源的占用處于平等的位置。此時程序的運行方式類似于軟實時操作系統中的多進程，這是其他實時系統所不具備的。

在智能用電監控系統中，所執行的主要任務包括電能計量、設備監控及信息處理等。因此可根據執行操作的功能和對實時性的要求，將這些任務分為普通型、管理型、和應急型3種。任務的優先級定義為應急型最高、管理型其次，普通型最低。各種任務的優先級劃分原則為：

1）普通型任務

屬于電能監控系統的正常操作，主要包括：采集各種用電負荷的用電量、市電電量、分布式電源的發電量以及儲能單元的電量；測量市電和分布式電源的電壓、電流、頻率及功率因數等狀態信息；根據用戶需要將采集數據存儲、顯示輸出、通過網絡上傳給上位機（PC機）或電力管理部門。

2）管理型任務

此類任務為電能管理單元運行的上層監控算法及控制指令，主要包括：根據采集的用電、發電、儲能信息，結合結合當前市電及可再生能源的電能質量和電價結構，來制定、選擇合理的用電管理控制策略。

3）應急型任務

主要包括系統運行過程中發生的特殊情況或故障，例如：電力系統運行參數（電壓、頻率）超出規定允許范圍；設備故障及運行狀態異常；短路及斷電等故障。

3 實驗驗證

連接到智能用電監控系統的電源包括市電和光伏電池（額定功率1 kW），電氣負荷包括熱水器、PC機、咖啡壺、電燈等。這些負荷的用電參數都可以通過電能計量模塊測量，并通過智能用電管理單元進行數據存儲和現實輸出。

圖4 液晶屏顯示電能測量數據

圖5 熱水器實時用電數據曲線

圖6 電腦實時用電數據曲線

圖4為通過液晶屏顯示的某負荷的實時數據，包括電壓、電流、功率、用電量、功率因數等。上述用電參數還可以存儲，并通過上位機（PC機）顯示輸出，如圖5和圖6所示的熱水器和電腦的實時用電數據曲線。通過這些實時數據的測量及顯示，電能用戶能夠清晰、直觀、及時地了解到各種負荷的用電特性，以及電源和儲能單元的供電特性。

4 結論

本文研究了基于多任務、嵌入式硬實時操作系統FreeRTOS的智能用電監控系統，設計了基于多任務、多優先級的智能用電管理軟件。實驗結果表明，本系統通過各種用電設備及電源的實時運行數據采集、數據存儲、顯示及上傳、故障檢測及報警等功能，能夠為用戶實施智能用電管理提供豐富的實時數據，從而實現節能降耗、充分合理利用電力資源的目標。

[1]李東東，崔龍龍，林順富，等.家庭智能用電系統研究及智能控制器開發[J].電力系統保護與控制，2013，41（4）：123-129.

[2]王笛，高沁翔，侯軍，等.電網友好型家庭用電管理系統優化與控制的研究[J].電測與儀表，2015，52（9）：119-124.

[3]Weiliang Zhao，Lan Ding，Cooper P，et al.Smart home electricity management in the context of local power resources and smart grid[J].Journal of Clean Energy Technologies，2014，2（1）：79-85.

[4]劉迎澍，李冰，楊峰.基于電力線載波的嵌入式家庭網關設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2013，13（8）：25-28.

[5]李衛兵，邢曉瑩，王克會.用電實時監測保護及遠程監控系統設計[J].電子設計工程，2016，24（7）：129-131.

[6]唐松泉，趙祚喜，呂永青，等.基于嵌入式的無線智能家居近遠程監控系統[J].電子設計工程，2015（24）：166-169.

[7]王芳，顧偉，袁曉冬，等.面向智能電網的新一代電能質量管理平臺[J].電力自動化設備，2012，32（7）：134-139.

[8]紀盼瑩，李帥.基于Android平臺與SMS的智能家居能量管理系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2013，13（12）：64-67.

[9]章鹿華，王思彤，易忠林，等.面向智能用電的家庭綜合能源管理系統的設計與實現[J].電測與儀表，2010，47（9）：35-38.

[10]代家強，孫智卿.基于無線網絡技術的智能家居能量管理系統開發及需求側管理應用研究[J].陜西電力，2013，41（10）：39-43.

[11]陳紫卿，孫昕.FreeRTOS動態軟件模塊[J].計算機與現代化，2016（6）：24-28.

[12]張龍彪，張果，王劍平，等.嵌入式操作系統FreeRTOS的原理與移植實現[J].信息技術，2012（11）：31-34.

[13]張文亮，田沛，劉暉，等.基于FreeRTOS的lwip協議棧的移植與測試[J].自動化技術與應用，2015，34（11）：25-29.

[14]鄭洲.基于FreeRTOS的低成本車載影音系統方案設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2015（6）：22-25.

[15]張波，田肖野，周春來.基于FreeRTOS的智能插座設計與實現[J].計算機工程與應用，2013，49（S3）：117-120.