基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭用電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

張曉青，俞凱瀧，太鵬瑞，王國(guó)邦，王萬(wàn)瑞

(閩江學(xué)院，福建 福州 350108)

伴隨社會(huì)科技進(jìn)步和人們生活水平的提高，家用電器數(shù)量日益增多，家庭家用電器的待機(jī)能耗累計(jì)增長(zhǎng)問(wèn)題、用電安全問(wèn)題、用電負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)等問(wèn)題日益凸顯[1]。電器設(shè)備的能效提高以及總用電量與階梯電價(jià)之間調(diào)控優(yōu)化需要科學(xué)的監(jiān)測(cè)和管理手段，為改善目前家庭電能消費(fèi)情況，該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭用電設(shè)備的監(jiān)控管理，一方面，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電設(shè)備的用電量；另一方面用戶(hù)通過(guò)終端查看用電情況并可以遠(yuǎn)程控制用電設(shè)備電源通斷，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與家電的雙向交互。

智能家居中的家用電器用電監(jiān)控系統(tǒng)的形成與發(fā)展是倡導(dǎo)智慧城市建設(shè)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)，要想取得社會(huì)進(jìn)步和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，就得重視能源的節(jié)約與環(huán)保。目前家庭用電存在地區(qū)差異明顯，電力分配不均等特點(diǎn)[2]。在電力產(chǎn)生與消費(fèi)過(guò)程中，若能監(jiān)測(cè)到每個(gè)家用電器具體的待機(jī)功耗或工作耗電量，既能為家庭用戶(hù)節(jié)省用電開(kāi)支提供參考，又能為用電安全提供保障，此外也能作為電力公司在大小節(jié)假日監(jiān)測(cè)各地區(qū)范圍內(nèi)的用電量大小提供參考。研究該課題第一，有利于安全環(huán)保，可遠(yuǎn)程推送過(guò)流預(yù)警信息；第二，有利于智慧城市建設(shè)，是“‘互聯(lián)網(wǎng)+’家居”的重要組成部分；第三，有利于用戶(hù)節(jié)約用電開(kāi)支，綠色經(jīng)濟(jì)節(jié)能；第四，有利于電力公司的電能調(diào)度和開(kāi)展智慧電網(wǎng)的研究等。在用戶(hù)和電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的互動(dòng)中，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)實(shí)時(shí)查看家庭用電信息，遠(yuǎn)程控制用電設(shè)備，并透過(guò)大數(shù)據(jù)分析為用戶(hù)提供合理的用電建議等功能。

本文使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究并設(shè)計(jì)家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，以物聯(lián)網(wǎng)通訊芯片協(xié)同下位機(jī)主控器與服務(wù)器通信，測(cè)試收發(fā)信號(hào)，在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)電流和電壓監(jiān)測(cè)裝置采集的數(shù)據(jù)，采用頻域變換與識(shí)別算法判斷家用電器類(lèi)型，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制的電源管理與災(zāi)害預(yù)警。

1 研究分析與設(shè)計(jì)

1.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

國(guó)內(nèi)外許多行業(yè)人士很早就利用智能控制終端對(duì)智能化家庭用電控制展開(kāi)一系列研究，并取得了一定的效果。2005年，坎貝爾發(fā)明一種基于Swarm群體行為的技術(shù)，利用無(wú)線控制器連接各大樓電器，通過(guò)互相協(xié)調(diào)控制減少大樓在用電高峰期總用電量。該技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的，提高了能源利用效率，但是沒(méi)有便捷可操作的可視化終端。2006年中期，美國(guó)GridPoint公司推出一種通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)調(diào)整家用電器用電量的設(shè)備。該電子產(chǎn)品可監(jiān)測(cè)用電量且實(shí)現(xiàn)了部分人機(jī)交互[3]。但鑒于當(dāng)時(shí)移動(dòng)智能手機(jī)尚未普及，無(wú)法通過(guò)移動(dòng)客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。2009年，谷歌電表PowerMeter作為一款用電監(jiān)測(cè)軟件投入測(cè)試，但缺少了遠(yuǎn)程控制輸出功能。2010年，IBM與能源咨詢(xún)公司Hildebrand合作， Hildebrand監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)家庭中每臺(tái)電器的用電量進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，利用軟件實(shí)時(shí)地收集、存儲(chǔ)和分析英國(guó)家庭用電情況，借助IBM公司的數(shù)據(jù)管理軟件為其提供節(jié)能計(jì)劃方案[4]。 但是依然沒(méi)有給家庭住戶(hù)本身提供一個(gè)可控可調(diào)的客戶(hù)端來(lái)管理自己家庭的用電情況，并缺少安全報(bào)警措施。目前，國(guó)內(nèi)也并未有一套成熟的產(chǎn)品推廣使用。因此，基于目前的家庭用電特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一套低功耗物聯(lián)網(wǎng)家庭用電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化電器遠(yuǎn)程電能管理具有重要的意義[5-7]。本課題研發(fā)的家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)查詢(xún)、在線監(jiān)控，遠(yuǎn)程操作等功能，符合家庭用電智能化的理念；系統(tǒng)采用低成本的Wi-Fi通訊技術(shù)，查詢(xún)界面簡(jiǎn)潔，符合用戶(hù)的操作習(xí)慣，對(duì)國(guó)內(nèi)的居民家庭用電管理提供了一套合理的低成本解決方案。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭用電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電器電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，融合智慧城市和智能家居的發(fā)展主題，其軟硬件組合架構(gòu)，包括各家用電器，測(cè)量與監(jiān)測(cè)設(shè)備，數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，客戶(hù)端(含電腦端、Android端、iOS端等查詢(xún)終端)。接入網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng)具有信息采集、信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)輸出顯示等功能。本系統(tǒng)可以用于住戶(hù)家中或辦公產(chǎn)所，如圖1所示，其系統(tǒng)集成于傳統(tǒng)插排中，以電流互感器監(jiān)控該插孔接入的家用電器的獨(dú)立用電情況，并將用電信息顯示于LCD顯示屏，同時(shí)上傳至位于云端的服務(wù)器，供用戶(hù)在終端查詢(xún)。當(dāng)用戶(hù)利用智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)等終端遠(yuǎn)程控制用電設(shè)備工作時(shí)，控制指令會(huì)存儲(chǔ)在位于云端的服務(wù)器中。信息采集器間隔性地訪問(wèn)服務(wù)器，一旦發(fā)現(xiàn)有待處理指令，立即將其轉(zhuǎn)發(fā)到處理器單元，處理器再根據(jù)指令向用電設(shè)備下發(fā)工作指令，控制繼電器遠(yuǎn)程切斷或啟電器電源開(kāi)關(guān)，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)用電設(shè)備用電情況的監(jiān)測(cè)，還能夠?qū)τ秒娫O(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，用電數(shù)據(jù)查詢(xún)，以及電壓、電流保護(hù)，遠(yuǎn)程安全預(yù)警監(jiān)控與節(jié)約電能控制。

圖1 系統(tǒng)概述圖示

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能描述

運(yùn)用STM32F103作為核心控制器，由電流互感器模塊，LCD數(shù)據(jù)顯示電路、按鍵控制電路、繼電器負(fù)載控制電路以及Wi-Fi無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電路等組成，以三孔插排為例，其系統(tǒng)功能原理圖如圖2所示。STM32F103單片機(jī)計(jì)算性能強(qiáng)，中斷系統(tǒng)響應(yīng)優(yōu)越，作為32位的嵌入式ARM處理器其成本低，低功耗，引腳數(shù)目也適用該項(xiàng)目[8]。

電能檢測(cè)部分采用PZEM-004T(V1.0) 交流多功能通訊模塊，利用TTL串口通信與主控器通信，其內(nèi)部含電流互感器電路與A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)計(jì)量測(cè)算功能，可獲取電壓、電流、功率、電量四個(gè)電參數(shù)，掉電可保持?jǐn)?shù)據(jù)。主控器采集其檢測(cè)信號(hào)，傳輸至液晶顯示并與服務(wù)器互通獲得控制指令。

LCD液晶屏選取了LCD12864作為顯示模塊，主要功能是顯示電能使用信息和用電信息，和按鍵一同構(gòu)建良好的人機(jī)交互界面，能較為直觀呈現(xiàn)電路系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息。

負(fù)載控制電路采用繼電器接入插排內(nèi)部控制其火線通斷，結(jié)合上位機(jī)接收到的控制信號(hào)可由單片機(jī)控制繼電器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)插孔內(nèi)部電源通斷。

Wi-Fi采用ESP8266芯片，其可移動(dòng)性強(qiáng)和價(jià)格低廉，用于有線網(wǎng)絡(luò)不方便接入的領(lǐng)域， ESP8266作為連接服務(wù)器與主控器的通信橋梁具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，廣域無(wú)線電波覆蓋面積廣，遠(yuǎn)距離傳輸，傳輸速度快，模塊集成度高，開(kāi)發(fā)高效且組網(wǎng)快捷方便，保密性好等。

系統(tǒng)客戶(hù)端作為終端顯示界面如圖3所示，其包含插孔連接電器種類(lèi)信息判斷顯示，電流、電壓、電量以及功率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，插排通斷狀態(tài)顯示，過(guò)流安全預(yù)警顯示等，客戶(hù)通過(guò)獲取直觀的這些信息，可遠(yuǎn)程控制指定插孔電源通斷進(jìn)行安全維護(hù)與節(jié)能省電操作。

圖3 客戶(hù)端界面圖示

2.2 頻域變化與識(shí)別算法

所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，在時(shí)域上主控器每隔1s對(duì)檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)采樣一次，取70個(gè)采樣點(diǎn)，通過(guò)傅里葉變換將不同家用電器的電流、電壓、功率進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)不同家用電器在頻域上呈現(xiàn)如圖4-圖6的效果，圖4是臺(tái)燈、筆記本充電器、電飯煲和卷發(fā)棒四種家用電器工作電流的頻域?qū)Ρ葓D，可以看到四種家用電器工作電流頻域的峰值不同；圖5是臺(tái)燈、筆記本充電器、電飯煲和卷發(fā)棒四種家用電器工作電壓的頻域?qū)Ρ葓D，可以看到四種家用電器工作電壓即便都在220V周?chē)?dòng)，但頻域上的峰值依然呈現(xiàn)不同數(shù)值；圖6是臺(tái)燈、筆記本充電器、電飯煲和卷發(fā)棒四種家用電器工作功率的頻域?qū)Ρ葓D，其功率頻譜幅度的峰值也不同，利用這一特性可以識(shí)別不同的家用電器類(lèi)別。

(a)臺(tái)燈工作電流頻譜圖

(b)筆記本充電器工作電器電流頻譜圖

(c)電飯煲工作電流頻譜圖

(d)卷發(fā)棒工作電流頻譜圖

(a)臺(tái)燈工作電壓頻譜圖

(b)筆記本充電器工作電器電壓頻譜圖

(c)電飯煲工作電壓頻譜圖

(d)卷發(fā)棒工作電壓頻譜圖

(a)臺(tái)燈功率頻譜圖

(b)筆記本充電器功率頻譜圖

(c)電飯煲功率頻譜圖

(d)卷發(fā)棒功率頻譜圖

3 測(cè)試運(yùn)行

課題依托閩江學(xué)院數(shù)字福建智能化生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)提供的測(cè)試環(huán)境，如圖7示，將家用電器從插入系統(tǒng)下位機(jī)插排插孔中，手機(jī)控制電源開(kāi)啟，系統(tǒng)將在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采集家用電器的電流、電壓、電能、功率信息，分析家用電器種類(lèi)呈現(xiàn)在手機(jī)客戶(hù)端，并開(kāi)展用電安全實(shí)時(shí)檢測(cè)。可以看到在一段時(shí)間的云端識(shí)別后，兩個(gè)獨(dú)立家用電器類(lèi)別與手機(jī)App呈現(xiàn)出相應(yīng)家用電器A、B類(lèi)別名稱(chēng)與其用電數(shù)據(jù)信息，供用戶(hù)查看。

圖7 設(shè)備測(cè)試圖

根據(jù)上述測(cè)試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，即插排通電下實(shí)時(shí)獲得該插排獨(dú)立家用電器的用電信息，由Wi-Fi模塊發(fā)送服務(wù)器并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，判斷電器種類(lèi)，通過(guò)客戶(hù)端對(duì)該插排每個(gè)插孔進(jìn)行單獨(dú)的信號(hào)讀寫(xiě)操作和開(kāi)關(guān)控制。

4 結(jié)論

綜上，基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭用電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，能精準(zhǔn)遠(yuǎn)程預(yù)警家用電器過(guò)流情況并及時(shí)切斷電源，減低火災(zāi)隱患，通過(guò)識(shí)別家用電器種類(lèi)且智能可視化的呈現(xiàn)獨(dú)立家用電器的用電信息，是一個(gè)精準(zhǔn)控制家庭電能電量很好的可視化平臺(tái)，具有以下特色與創(chuàng)新點(diǎn)。

(1)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電器用電信息。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理中心通過(guò)Wi-Fi模塊向服務(wù)器傳輸電量數(shù)據(jù)，并可通過(guò)遠(yuǎn)程的終端進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢(xún)?cè)O(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)及用電量，并在到達(dá)電價(jià)梯度線附近時(shí)進(jìn)行提醒。

(2)遠(yuǎn)程操作。在終端APP中設(shè)置開(kāi)關(guān)按鍵，同時(shí)在硬件中嵌入一個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)控用電設(shè)備的開(kāi)啟與關(guān)閉，當(dāng)開(kāi)關(guān)接收服務(wù)器傳送的狀態(tài)改變信號(hào)，響應(yīng)并將用電設(shè)備關(guān)閉。

(3)安全預(yù)警。服務(wù)器可對(duì)電流過(guò)流數(shù)據(jù)采取實(shí)時(shí)檢測(cè)判斷，及時(shí)通過(guò)客戶(hù)端App告知用戶(hù)并自動(dòng)切斷電源，避免火災(zāi)發(fā)生，保證家庭安全。

(4)指定范圍的擴(kuò)大，多中斷控制，以及服務(wù)器儲(chǔ)存歷史用電記錄及其他用戶(hù)的用電情況通過(guò)大數(shù)據(jù)分析來(lái)為客戶(hù)提供用電方案。

基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭用電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)能夠建立一個(gè)集監(jiān)測(cè)、控制、與大數(shù)據(jù)分析評(píng)估為一體的智能家居用電環(huán)境，該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)智能化監(jiān)控使居民家居生活更加安全節(jié)能、經(jīng)濟(jì)方便，調(diào)控優(yōu)化算法有進(jìn)一步研究?jī)r(jià)值。