基于LiteOS的家庭智慧能源管理系統設計

曹敏++暴海峰++魏齡++楊映春++李祥++趙旭

摘 要隨著電動汽車、太陽能屋、物聯網技術推行與普及，居民作為能源消費者的同時還能充當能源生產者，如何將家庭用電與電網能源調撥進行互通將是智能電網建設必經之路。設計一套基于LiteOS的家庭智慧能源管理系統，除家用電器之外，還能與能源機器、住宅設備儀器、電動汽車、家庭網關、雙向電表相連接，實現家庭能源管理與電網能源調度雙向互動。設計方案以STM32F439為硬件平臺，以LiteOS為軟件平臺，采用4G或Wi-Fi實現系統遠程通信鏈路，藍牙點對點連接實現系統本地通信鏈路，將ZigBee/433/315/紅外和RS485分級劃分通信網絡，實現系統的內部通信，對家庭基于統一協議的采集控制，構建家庭智慧能源管理系統。

【關鍵詞】LiteOS STM32F439 智能電網 能源調度 ZigBee/433/315/紅外

1 引言

家庭能源管理市場是一個有待挖掘的金礦。從電網側來看，居民能源消耗是能源消費的重要組成部分，并隨著生活水平的提升大幅增加，比重越來越大，隨著新能源技術發展，居民也將成為能源生產者，如何管理家庭能源調度，也將成為下一步建設方向，智能化管理家庭能源消費有很好的經濟和社會效益；從家庭來看，能源消費是社會的重要部分，家用電器越來越復雜，每月耗電量越來越大，管理能源使用情況逐漸成為大多數家庭共同的問題。所以非常有必要設計和實現一種智能化、人性化的現代化家庭智慧能源管理系統。

家庭智慧能源管理系統可以定義為是采用物聯網技術、嵌入式技術將各種家用設備有機地通過網絡連接起來組成一個整體。目前，通過現有的物聯網操作系統我們可以發現，華為的LiteOS提供藍牙、ZigBee、Wi-Fi、以太網等常用物聯網協議集成接口，可以更好實現家庭智慧能源管理系統建設工作。

2 總體設計方案

2.1 總體結構設計

家庭智慧能源管理系統將對住宅內設備儀器、家用電器、電動汽車、能源設備、負荷開關等進行管理，能源管理終端作為家庭智慧能源管理系統的心臟，負責家庭能源設備管理、能源設備狀態上送、雙向電表電量監測和控制策略下發等，如圖1所示。

根據功能特點，系統有三部分組成：以STM32F429微處理器、物聯網模塊組成的家庭智慧能源管理終端；基于ZigBee通信的能源管理分子終端；用于家庭能源和策略管理的監控平臺。

（1）數據采集單元將家庭內部的各項檢測數據傳送給STM32F429微控制器，由微控制器完成對現場數據的采集、存儲和處理、參數的設定和自動調節。

（2）能源管理的分子終端通過ZigBee將能源設備的監測數據傳送至能源管理終端，同時接收能源管理終端的控制命令來實施相應控制策略。例如電動汽車交流充電盒作為電動汽車交流充電引導裝置，在用電低谷時候可引導車進行充電，同時監測充電電流、功率等參數。

（3）監控平臺實現對現場數據的實時監控，同時也負責手機APP與能源管理終端信息交互。

系統整體結構如圖2所示，能源管理終端作為室內能源管理的核心，各能源設備通過ZigBee與能源管理終端進行連接。其中，對于家庭常規的能源設備，我們可通過萬能遙控器（可將ZigBee信號進行解包轉成433/315、紅外）對遙控器進行學習后融入系統進行控制。對家庭充電樁，可通過ZigBee監控網關，將充電樁與能源管理終端間進行連接，家庭交流充電樁大多只有充電引導和計量作用，可以輕松實現充電樁充電控制。針對家庭太陽能系統，我們只需關心當前儲能情況和發電量，而大部分太陽能通信系統都是基于IEC61850，可通過ZigBee監控網關，將我們需要信息提出后與能源管理終端進行交互。

2.2 內網組建方式

家庭智慧能源管理系統的網絡分為內部網絡和外部網絡。外部網絡指的是家庭網絡與互聯網的連接；家庭內網是指家庭電器設備與家庭網關組建的網絡。目前，物聯網的通信分有線和無線兩種模式，主流的有Ethernet、 Wi-Fi、RFID、NFC（近距離無線通信）、Zigbee、6LoWPAN（IPV6低速無線版本）、Bluetooth、GSM、GPRS、GPS、3G、4G等。智能家居網絡內部網絡的組建方式一般有無線和有線兩種。由于考慮到現代家庭的家用電器比較多，并且要保證能夠靈活移動各種家用電器，采用無線組建的家庭網絡是最好的選擇。

本設計中，家庭智慧能源管理系統的內網組建采用距離近、復雜度低、功耗低的ZigBee技術來實現。ZigBee技術是一種雙向無線通訊技術，它與電子設備之間是周期性、間歇性、低反應時間的數據傳輸方式，符合智能家居內部通信的要求。

為了和目前大多數家用電器兼容，我們引入了ZigBee轉射頻（433/315）、紅外萬能遙控器，可將已有家電的遙控器進行學習后通過手機進行控制。

2.3 系統通信協議

通信協議主要分為兩部分：家庭內網通信協議和遠程監控系統的通信協議。

在當前的互聯網通信協議中，HTTP協議由于開發成本低，開放程度高，幾乎占據大半江山，所以很多廠商在構建物聯網系統時也基于http協議進行開發。

HTTP協議是典型的CS通訊模式，由客戶端主動發起連接，向服務器請求XML或JSON數據。該協議最早是為了適用web瀏覽器的上網瀏覽場景和設計的，目前在PC、手機、pad等終端上都應用廣泛，但并不適用于物聯網場景。在物聯網場景中其有三大弊端：

（1）由于必須由設備主動向服務器發送數據，難以主動向設備推送數據。對于單單的數據采集等場景還勉強適用，但是對于頻繁的操控場景，只能推過設備定期主動拉取的的方式，實現成本和實時性都大打折扣。

（2）安全性不高。web的不安全都是婦孺皆知，HTTP是明文協議，在很多要求高安全性的物聯網場景，如果不做很多安全準備工作（如采用https等），后果不堪設想。

（3）不同于用戶交互終端如pc、手機，物聯網場景中的設備多樣化，對于運算和存儲資源都十分受限的設備，http協議實現、XML/JSON數據格式的解析，都是不可能的任務。

針對上述問題，我們對MQTT、DDS、AMQP、XMPP、JMS、REST、CoAP等物聯網協議進行研究，發現MQTT協議的兼容性相比較強，因此本系統遠程監控系統的通信協議選用MQTT。

而本地通信協議，我們采用類FT1.2可變幀長幀格式和FT1.2固定幀長幀格式進行報文傳輸，其說明如表1、表2所示。

其中，控制域（C）如表3所示。

3 系統的硬件設計

3.1 主控模塊

采用STM32F439作為主控模塊MCU，自帶1024KBFLASH，256KB的SRAM。外擴32M字節W9825G6KH作為SDRAM，外擴 512M字節MT29F4G08作為NANDFLASH，外擴32M字節W25Q256作為SPIFLASH，外擴256字節。其中STM32F439是意法半導體STM32的高端產品，采用最新的180MHz的ARM Cortex-M4處理器內核，具備8路UART接口。

3.2 4G遠程通信模塊

本系統以STM32F439微處理器為主控模塊，將STM32F439與4G模塊通過串口連接后進行遠程數據通信，將家庭內部數據發送給遠程監控端。用戶可以通過遠程監控的方式對家庭內部的家電設備進行控制，例如對窗簾控制，對空調溫度、濕度的設置等。系統采用有人物聯網的全網通USR-LTE-7S4 4GDTU模塊，該模塊具有內嵌TCP/IP協議、HTTPClient協議、低功耗、尺寸小、便于集成等優點。將STM32F439的UART2與USR-LTE-7S4串口進行交叉連接后，STM32F439發送AT命令對4G DTU進行操作，如圖3所示。

3.3 Wi-Fi通信模塊

目前市面Wi-Fi模塊層出不窮，在選擇Wi-Fi模塊時，考慮到本系統STM32F439串口充足，不存在接口緊缺問題，我們從Wi-Fi連接配置要盡可能方便、快捷、有效入手。選擇了安可信科技開發的ESP8266，該核心處理器在較小尺寸封裝中集成了業界領先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU，帶有 16 位精簡模式，主頻支持 80 MHz 和 160 MHz，支持 RTOS，集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA。同時，該芯片支持SmartConfig一鍵配置技術，極大減少了Wi-Fi連接配置負擔。

3.4 藍牙通信模塊

目前藍牙版本有2.0和4.0，Android手機對藍牙2.0和4.0都支持，當蘋果手機只支持藍牙4.0，因此我們選擇TI公司的CC2541藍牙4.0芯片。

CC2541是一款針對Bluetooth低能耗以及私有2.4-GHz應用的功率優化的真正片載系統（SoC）解決方案。它使得使用低總體物料清單成本建立強健網絡節點成為可能。CC2541將領先RF收發器的出色性能和一個業界標準的增強型8051MCU、系統內可編程閃存存儲器、8-KBRAM和很多其它功能強大的特性和外設組合在一起。CC2541非常適合應用于需要超低能耗的系統。這由多種不同的運行模式指定。運行模式間較短的轉換時間進一步使低能耗變為可能。

本系統為藍牙CC2541開發兩個GATT服務，一個用于數據的透傳，一個用于藍牙模塊的配置。

3.5 ZigBee通信模塊

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據國際標準規定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。主要特點是低功耗、低成本、低速率、支持大量節點、支持多種網絡拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網絡中的設備可分為協調器（Coordinator）、匯聚節點（Router）、傳感器節點（EndDevice）等三種角色。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。

本系統選擇TI的CC2530 ZigBee芯片，C253x設備系列使用的8051CPU內核是一個單周期的8051兼容內核。它有三個不同的存儲器訪問總線（SFR、DATA和CODE/XDATA），以單周期訪問SFR、DATA和主SRAM。ADC支持7到12位的分辨率，提供兩個USART接口。這在各能源分子終端中，能滿足基本繼電控制和傳感數據采集的需求。

4 系統的軟件設計

4.1 嵌入式平臺搭建

嵌入式操作系統選用源代碼開發的華為LiteOS實時操作系統。官方提供的華為LiteOS的操作系統自帶了STM32F429工程，工程可通過MDK進行繼續開發。嵌入式實時操作系統的核心在于心跳時鐘設定，因STM32F429與STM32F439定時器寄存器相同，所以STM32F429的工程可用于STM32F439進行開發。

4.2 驅動程序設計

在嵌入式系統中，設備驅動程序的作用是使硬件系統與軟件系統相互通信。ST公司為STM32F439提供了芯片估計，因此驅動程序的開發主要是通過微處理器的UART、SPI、SDIO等接口發送命令或接收數據。

本系統中，我們為4G、藍牙、Wi-Fi、ZigBee模塊建立基于設備的初始化、釋放、讀、寫、狀態檢查和處理硬件設備出現的錯誤等應用接口函數。

4.3 消息路由算法設計

能源管理終端的核心在于將監控平臺下發的指令路由到各分子終端，獲取分子終端封包后統一上傳。

本系統中，我們分別建立靜態的地址和命令轉換表，當攜帶有設備和命令標識的 MQTT指令到達后，我們通過查找表獲得分子終端地址和命令，進行報文重組，通過ZigBee模塊向下發送。

5 結束語

本系統能夠利用天氣信息與傳感器找到多余的能耗源，并通過對家用電器的控制達到節約能耗的目的。另外，在家用能源機器的使用上，當太陽能光板的發電量出現剩余時，系統可以指示蓄電池開始儲能、熱泵熱水器燒熱水，或者指示電動汽車充電樁開始充電工作，從而實現對電力的有效利用。

家庭智慧能源管理系統采用“可視化”設計，能夠及時掌握家庭的用電情況，除了能讓用戶通過家里的電視或監視器簡單地了解自家的用電信息之外，還能通過手機APP對能源消耗進行統一管理，根據用戶的行為習慣和天氣信息向用戶提出高效用電的可行性建議。

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作者單位

1.云南電網有限責任公司電力科學研究院 云南省昆明市 650217

2.云南電網有限責任公司 云南省昆明市 650217

3.昆明能訊科技有限責任公 云南省昆明市 650217

4.中國南方電網電能計量重點實驗室 云南省昆明市 650217