基于家庭異構(gòu)網(wǎng)的智能用電終端系統(tǒng)設(shè)計

張云翔，李厚恩，鐘曉雄，張 盛

(1.深圳市供電局有限公司，廣東 深圳 518001；2.清華大學(xué)深圳國際研究生院智能傳感網(wǎng)絡(luò)工程中心，廣東 深圳 518055)

0 引 言

電網(wǎng)，一般是指排除發(fā)電側(cè)之外的，由變電裝置和輸配電線組成的整體。智能電網(wǎng)是以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測量技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成新型電網(wǎng)[1]。

在未來的智能電網(wǎng)架構(gòu)中，靈活的智能用電管理將成為其中的重要環(huán)節(jié)。在用電方面，智能電網(wǎng)的重要目標(biāo)是鼓勵和促進(jìn)用戶參與自身運(yùn)行和管理，實(shí)現(xiàn)用戶互動[2-4]。因此，研究合理、高效的智能用電方法有利于電力資源的合理利用和節(jié)能減排。

文獻(xiàn)[5]改進(jìn)了k-means算法，能夠精確、高效地挖掘出智能用電海量數(shù)據(jù)的潛在有用信息，將為制定最優(yōu)的用電策略、開展階梯定價提供有利的指導(dǎo)。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種以DSP為處理核心的智能用電終端，能夠?qū)崿F(xiàn)智能電網(wǎng)下對市政、商區(qū)以及居民住宅等用電設(shè)備的高級用電檢測和遠(yuǎn)程用電控制。文獻(xiàn)[7]提出了一種穩(wěn)定且能夠自適應(yīng)各類模式的DR系統(tǒng)架構(gòu)，能夠調(diào)節(jié)電網(wǎng)動態(tài)需求和用戶動態(tài)意愿之間的平衡以及電力公司和用戶之間的平衡。

但是上述的幾種方法均是針對電網(wǎng)公司或者國家部門用來制定電價或者宏觀調(diào)控的，而不是針對用戶自身來實(shí)現(xiàn)智能用電，從而達(dá)到節(jié)約用電的目的。于是設(shè)計了一種基于家庭異構(gòu)網(wǎng)[8]的智能用電終端系統(tǒng)，它是一種兼容WirelessHART自足網(wǎng)絡(luò)、PLC通信以及以太網(wǎng)通信的異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制用電終端(如智能化控制家用電器)以及遠(yuǎn)程手動控制的功能。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，并探討了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下家用電器智能化的發(fā)展方向。

1 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

智能用電終端系統(tǒng)是一種融合多種家用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及傳感器技術(shù)，通過獲取、分析周圍環(huán)境的各種因素，實(shí)現(xiàn)智能化控制家用電器、節(jié)省電能等功能的設(shè)備。下面設(shè)計一種基于WirelessHART和PLC的家庭異構(gòu)網(wǎng)的智能用電終端系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制家電，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約用電的功能。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)和原則

1.1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

所設(shè)計系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)一個兼容WirelessHART協(xié)議與PLC技術(shù)的智能用電終端系統(tǒng)，設(shè)計的功能目標(biāo)如下：

1)支持WirelessHART網(wǎng)絡(luò)。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)可以通過和支持WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的智能電表互連互通，達(dá)到對電表系統(tǒng)的控制以及計量信息獲取的功能。

2)支持PLC設(shè)備，并將PLC互連設(shè)備組成一個網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)信息互通的目的。

3)支持人體感應(yīng)探頭作為傳感器設(shè)備，獲取周圍環(huán)境中的信息。

4)支持以太網(wǎng)絡(luò)，使得智能的互聯(lián)網(wǎng)終端可以遠(yuǎn)程訪問系統(tǒng)，支持服務(wù)器端圖表顯示終端信息，支持服務(wù)器控制終端。

5)支持系統(tǒng)對外部電器的控制。

1.1.2 系統(tǒng)設(shè)計原則

為了能讓系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地工作，在設(shè)計過程中需要遵循一定的原則。

1)可靠性：系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)不但可以工作于正常的環(huán)境下，在一定程度的惡劣環(huán)境下也能準(zhǔn)確計量并與后臺進(jìn)行正常通信。

2)智能性：作為所設(shè)計系統(tǒng)的核心功能，智能性表現(xiàn)在系統(tǒng)可以快速偵測環(huán)境的變化，并將信息反饋至主控模塊，由主控模塊分析處理，然后向驅(qū)動模塊發(fā)送控制指令。系統(tǒng)的智能性特點(diǎn)需要靠上層軟件完善的邏輯結(jié)構(gòu)來完成。

3)低功耗性：系統(tǒng)在工作模式下應(yīng)該可以以較低的功耗進(jìn)行工作，以節(jié)省能源。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

所設(shè)計的系統(tǒng)需要工作在一個家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，并組成網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作。如圖1所示，圖中左邊方框?yàn)樗O(shè)計的系統(tǒng)，而右半部分則為系統(tǒng)的典型應(yīng)用背景。

圖1 智能用電終端系統(tǒng)

在圖1的左半部分，由數(shù)個智能用電終端組成。其中一個終端與以太網(wǎng)連接，充當(dāng)服務(wù)器端節(jié)點(diǎn)(Master)的角色，與外界網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；其他終端則承擔(dān)普通節(jié)點(diǎn)(Nodes)的角色，相互之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但無法直接與外界通信。將系統(tǒng)與外界網(wǎng)絡(luò)隔絕，一定程度上保障了數(shù)據(jù)安全與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。每一個智能用電終端都包含WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)模塊，用于和其他終端進(jìn)行無線通信；同時也包含PLC模塊，通過電力線連接起來，可以進(jìn)行相互通信。

1.2.1 普通節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計

在所設(shè)計的智能用電終端系統(tǒng)中，每一臺設(shè)備，包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，都具備普通節(jié)點(diǎn)的功能。對于每一個普通節(jié)點(diǎn)，希望它兼容WirelessHART網(wǎng)絡(luò)以及PLC網(wǎng)絡(luò)，又能驅(qū)動傳感器和外圍設(shè)備工作，設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 普通節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

一個普通的節(jié)點(diǎn)主要包含微控制器主控模塊、WirelessHART無線通信模塊、PLC模塊、傳感器模塊以及驅(qū)動模塊。

1.2.2 服務(wù)器端節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計

服務(wù)器端節(jié)點(diǎn)，除了包含上述模塊外，還應(yīng)該包含一個以太網(wǎng)模塊，如圖3所示。

圖3 服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

服務(wù)器端的以太網(wǎng)模塊，使得系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

1.3.1 微控制器主控模塊

微控制器主控模塊是整個系統(tǒng)的核心，考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)的多元性，選取STM32F103ZET6芯片作為核心的微控制器。這是一個32位的Cortex-M3內(nèi)核的ARM處理器，最高可達(dá)72 MHz的處理速度，具備睡眠、停止和掛起3種低功耗工作模式，最大限度地降低能源消耗，且所需要的外圍支持比較少，僅需要一些基本的電源和外部晶振即可工作[9]。

1.3.2WirelessHART模塊

WirelessHART模塊主要由主控芯片MSP430和RF模塊CC1100E組成。其中，MSP430是TI公司的一個16位低功耗、低成本的MCU，而CC1100E為TI公司的一個應(yīng)用于1 GHz頻段以下并支持多種解調(diào)格式的射頻通信模塊[10]。

1.3.3 電力載波模塊

電力載波模塊負(fù)責(zé)電力線通信，考慮到成本以及符合中國國家標(biāo)準(zhǔn)，采用KQ330超低功耗載波通信接收模塊[11]。

1.3.4 傳感器模塊

為了演示系統(tǒng)的智能控制作用，需要在系統(tǒng)中添加一個人體感應(yīng)傳感器。可以探測10 m以內(nèi)有沒有活動物體走動，并在被觸發(fā)時生成一個脈沖信號，進(jìn)而可以把這個脈沖信號通過GPIO端口送入到微控制器。

傳感器模塊主要由一個芯片及其周圍電路組成，選擇了CS9803作為人體感應(yīng)芯片[12]。

1.3.5 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊是用來控制外圍設(shè)備的電路，在這里，選取220 V家用電燈作為被控制電器，以表現(xiàn)系統(tǒng)的通用性。驅(qū)動模塊采用達(dá)林頓電路驅(qū)動的方式。達(dá)林頓電路由2個達(dá)林頓三極管組成，2個三極管級聯(lián)，大大提高系統(tǒng)的靈敏度，可以有效地放大輸入信號，并有很強(qiáng)的電流驅(qū)動能力。

1.3.6 以太網(wǎng)模塊

服務(wù)端的以太網(wǎng)模塊是供服務(wù)端與外界進(jìn)行互聯(lián)通信的基礎(chǔ)，它不但為UART-PLC網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)關(guān)功能，將內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)，還要為外部的智能終端設(shè)備提供查詢、控制等功能。選取ENC28J60模塊作為以太網(wǎng)通信芯片，該芯片是28引腳以太網(wǎng)控制器，具備低引腳數(shù)、低成本且高效易用等優(yōu)點(diǎn)[13]。

1.3.7 硬件接口

各個模塊之間信息的傳輸以及指令的發(fā)送，都是通過特定的通信接口完成，通用的芯片間通信接口有UART、SPI、I2C等幾種，其中UART以及SPI接口都具備成本低廉、簡單易用、易于集成等特點(diǎn)。這里采用UART以及SPI接口作為芯片間通信的主要協(xié)議。

UART是一種收發(fā)協(xié)議，廣泛應(yīng)用于EIA、RS-232等接口，它能夠?qū)⑿畔⑼ㄟ^并/串轉(zhuǎn)換成字節(jié)流來傳輸，也可以將字節(jié)流匯聚起來通過串/并轉(zhuǎn)換來還原信息[14]。

SPI是一種可以工作在全雙工模式下的同步的數(shù)據(jù)鏈路標(biāo)準(zhǔn)[15]。SPI通信的參與者分為主機(jī)和從機(jī)，其中主機(jī)可以指定數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中的多個從機(jī)是通過片選引腳來決定是否處于工作狀態(tài)。

1.4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的硬件是支持系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，系統(tǒng)的上層軟件則是應(yīng)用的具體實(shí)現(xiàn)。這里采用IAR EWARM v5.30作為開發(fā)工具，選用C語言作為開發(fā)語言，選用ST公司發(fā)布的STM32 Firmware Library v2.0.3作為開發(fā)庫[16]。

1.4.1 軟件設(shè)計框架

如圖4所示，軟件系統(tǒng)主要由三層模塊組成，其中STM32固件層是由ST公司官方提供的一個供操M(fèi)32內(nèi)部模塊的C語言庫，包括操作RCC時鐘、GPIO接口、中斷向量表等功能；微控制器主控模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個模塊工作以及資源分配、系統(tǒng)計時、數(shù)據(jù)處理等任務(wù)；應(yīng)用層包含的范圍比較廣，包括硬件電路模塊上的LED指示燈的操作、UART串口設(shè)備組網(wǎng)通信、傳感器控制以及外圍設(shè)備驅(qū)動控制模塊。

圖4 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

1.4.2 微控制器主控模塊

微控制器主控層包含主要的調(diào)度和控制模塊。微控制器主控層需要對STM32進(jìn)行初始化配置，主要包括RCC時鐘配置、GPIO引腳配置等。

首先，配置復(fù)位和時鐘控制。系統(tǒng)先調(diào)用RCC_Deinit()函數(shù)對RCC時鐘進(jìn)行初始化設(shè)置；再通過調(diào)用RCC_HSEConfig()函數(shù)來配置STM32采用外部晶振作為時鐘源，并啟用該晶振；接著開啟STM32內(nèi)部Flash預(yù)存取功能，然后設(shè)置內(nèi)部高級外設(shè)總線APB1和APB2高速通道時鐘，并啟用內(nèi)部的PLL鎖相環(huán)模塊作為系統(tǒng)時鐘。

其次，系統(tǒng)調(diào)用NVIC_SetVectorTable()函數(shù)對微控制器的嵌入式中斷控制器進(jìn)行初始化。

最后，系統(tǒng)調(diào)用GPIO_Configuration()函數(shù)對各個引腳進(jìn)行初始化。

1.4.3 WirelessHART模塊

WirelessHART模塊，通過UART接口與微控制器進(jìn)行通信。其中接口主要有兩個：發(fā)送數(shù)據(jù)接口和接收數(shù)據(jù)接口。發(fā)送數(shù)據(jù)接口函數(shù)通過調(diào)用主控模塊的函數(shù)庫USART_SendData()以及USART_ReceiveData()兩個函數(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)層及更下層的傳輸功能由MSP430芯片負(fù)責(zé)。接收數(shù)據(jù)接口是一個緩沖區(qū)數(shù)據(jù)字符，并利用觸發(fā)中斷來通知MSP430對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。

1.4.4 電力載波模塊

所采用的PLC模塊，可以通過UART接口與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將PLC模塊的TXD接口直接連接到微控制器的UART1的RX數(shù)據(jù)接收端，將PLC模塊的RXD接口通過2K限流電阻，連接到微控制器的TX數(shù)據(jù)發(fā)送端。

PLC模塊具備兩種工作模式：透明工作模式與自定義工作模式。為了便于開發(fā)，采用自定義工作模式。

1.4.5 服務(wù)器端以太網(wǎng)模塊

如圖5所示，以太網(wǎng)模塊主要由ENC28J60的硬件抽象層(hardware abstract layer)、SPI接口、TCP/IP協(xié)議棧以及上層的Web服務(wù)器組成。其中SPI接口負(fù)責(zé)與微控制器進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)基本的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)功能；Web服務(wù)器提供一個有限功能的Web服務(wù)器，以便與用戶進(jìn)行交互。

圖5 以太網(wǎng)模塊

2 實(shí) 驗(yàn)

智能用電終端系統(tǒng)測試部分的測試主要有幾個方面：傳感器動作、家用電器的工作狀態(tài)顯示及手動控制功能；對等節(jié)點(diǎn)間的電力線組網(wǎng)以及通信功能；WirelessHART通信以及Mesh網(wǎng)絡(luò)組建等功能。

2.1 家用電器工作狀態(tài)顯示及手動控制功能測試

該功能的測試僅需要服務(wù)器端單節(jié)點(diǎn)即可完成。首先將服務(wù)端節(jié)點(diǎn)外接上傳感器模塊、繼電器驅(qū)動模塊以及以太網(wǎng)模塊，并將以太網(wǎng)模塊連接到局域網(wǎng)內(nèi)，使用筆記本通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到同一個局域網(wǎng)內(nèi)。對系統(tǒng)進(jìn)行上電，更改系統(tǒng)源代碼里的IP地址和子網(wǎng)掩碼，以能接入到以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。更改系統(tǒng)的訪問密碼，然后將測試代碼下載到主控芯片內(nèi)，并運(yùn)行。測試步驟如下：

1)測試人員遠(yuǎn)離系統(tǒng)，等繼電器模塊斷開，家用電燈熄滅后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。此時，通過筆記本訪問同局域網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)址http://219.223.168.254/h403/頁面，可以觀察到電燈處于熄滅狀態(tài)。

2)逐漸靠近傳感器模塊，在離傳感器約4～5 m的范圍時，無線傳感器上的LED指示燈自動點(diǎn)亮，同時，繼電器閉合，家用電燈點(diǎn)亮。說明所設(shè)計系統(tǒng)的傳感器模塊工作正常。

3)訪問網(wǎng)址并刷新頁面，可以看到電燈處于點(diǎn)亮狀態(tài)。說明所設(shè)計系統(tǒng)對于家用電器的工作狀態(tài)顯示功能正常。

4)在網(wǎng)頁中手動點(diǎn)擊“關(guān)閉”命令，繼電器斷開，家用電燈熄滅，說明所設(shè)計系統(tǒng)的手動控制功能可以正常工作。

結(jié)果表明，該系統(tǒng)對4～5 m范圍內(nèi)的人員能夠迅速做出反應(yīng)，打開照明系統(tǒng)，并且可以通過Web服務(wù)器端查詢和手動控制照明系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2.2 電力組網(wǎng)及通信功能測試

將服務(wù)端的電力載波模塊連接到主控模塊上，并加入5個包含繼電器驅(qū)動模塊以及電力載波模塊的客戶端節(jié)點(diǎn)。編輯測試代碼，將每個節(jié)點(diǎn)的UART地址修改為單獨(dú)的地址。在測試中，將服務(wù)端的UART地址更改為1，5個客戶端節(jié)點(diǎn)的地址依次更改為2～6。對各個板子上電，將測試代碼分別下載到各個板子上運(yùn)行。測試步驟如下：

1)訪問http://219.223.168.252/h403/頁面，可以看到頁面上多出了5個燈，每個燈均處于熄滅狀態(tài)，如圖6所示。說明所設(shè)計系統(tǒng)的組網(wǎng)功能正常。

圖6 PLC網(wǎng)絡(luò)通信測試

2)在網(wǎng)頁上任意點(diǎn)擊一個LED燈的“閉合”按鈕，相應(yīng)客戶端節(jié)點(diǎn)的繼電器閉合，點(diǎn)亮相應(yīng)的LED燈，此時網(wǎng)頁上指示該燈處于點(diǎn)亮狀態(tài)。說明所設(shè)計系統(tǒng)電力線通信完全正常。

2.3 WirelessHART自組網(wǎng)通信功能測試

首先，將WirelessHART接收、發(fā)送模塊通過RS232電平轉(zhuǎn)換模塊和USB-RS232轉(zhuǎn)換模塊分別連接到兩臺筆記本電腦的USB接口；然后，在兩臺筆記本上打開串口調(diào)試助手，接收模塊監(jiān)聽串口數(shù)據(jù)，發(fā)送模塊往串口發(fā)送數(shù)據(jù)，測試接收端是否能完整接收數(shù)據(jù)；最后，將連接發(fā)送模塊的筆記本固定放置在馬路上，將作為接收方的筆記本逐漸遠(yuǎn)離發(fā)送模塊，觀測是否能正常接收。

經(jīng)過測試，在馬路上，丟包率≤3%的條件下，使用兩個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互相通信，得到的通信數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 WirelessHART普通傳輸條件測試數(shù)據(jù)

在進(jìn)行了普通測試以后，還對設(shè)備進(jìn)行了穿透能力測試，以普通承重墻作為障礙物，在丟包率≤3%的條件下，得到兩個節(jié)點(diǎn)的傳輸數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 WirelessHART穿透條件測試數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語

針對家居用戶，提出了一種基于家庭異構(gòu)網(wǎng)的智能用電終端系統(tǒng)，在結(jié)合如無線傳感器的外圍設(shè)備情況下，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)智能化控制家居電器的目的，并支持以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程手動控制終端。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡單性以及軟硬件的結(jié)合，保證了系統(tǒng)工作的可靠性、智能性以及低功耗性。

在未來，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的智能用電終端系統(tǒng)將會朝著更高的兼容性方向發(fā)展，比如兼容更多的無線傳感設(shè)備。同時，在提高兼容性的過程中，提高系統(tǒng)的負(fù)載能力也是必不可少的。