基于家庭異構網的智能用電終端系統設計

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.清華大學深圳國際研究生院智能傳感網絡工程中心，廣東 深圳 518055)

0 引 言

電網，一般是指排除發電側之外的，由變電裝置和輸配電線組成的整體。智能電網是以物理電網為基礎，將現代先進的傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術和控制技術與物理電網高度集成而形成新型電網[1]。

在未來的智能電網架構中，靈活的智能用電管理將成為其中的重要環節。在用電方面，智能電網的重要目標是鼓勵和促進用戶參與自身運行和管理，實現用戶互動[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能減排。

文獻[5]改進了k-means算法，能夠精確、高效地挖掘出智能用電海量數據的潛在有用信息，將為制定最優的用電策略、開展階梯定價提供有利的指導。文獻[6]設計了一種以DSP為處理核心的智能用電終端，能夠實現智能電網下對市政、商區以及居民住宅等用電設備的高級用電檢測和遠程用電控制。文獻[7]提出了一種穩定且能夠自適應各類模式的DR系統架構，能夠調節電網動態需求和用戶動態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公司或者國家部門用來制定電價或者宏觀調控的，而不是針對用戶自身來實現智能用電，從而達到節約用電的目的。于是設計了一種基于家庭異構網[8]的智能用電終端系統，它是一種兼容WirelessHART自足網絡、PLC通信以及以太網通信的異構型網絡終端系統，能夠實現智能控制用電終端(如智能化控制家用電器)以及遠程手動控制的功能。最后通過實驗驗證了系統的可行性，并探討了異構網絡環境下家用電器智能化的發展方向。

1 系統軟硬件設計

智能用電終端系統是一種融合多種家用通信網絡技術以及傳感器技術，通過獲取、分析周圍環境的各種因素，實現智能化控制家用電器、節省電能等功能的設備。下面設計一種基于WirelessHART和PLC的家庭異構網的智能用電終端系統，能夠實現智能化控制家電，從而實現節約用電的功能。

1.1 系統設計的目標和原則

1.1.1 系統設計目標

所設計系統的主要目的是實現一個兼容WirelessHART協議與PLC技術的智能用電終端系統，設計的功能目標如下：

1)支持WirelessHART網絡。WirelessHART網絡可以通過和支持WirelessHART網絡的智能電表互連互通，達到對電表系統的控制以及計量信息獲取的功能。

2)支持PLC設備，并將PLC互連設備組成一個網絡，在網絡內部實現信息互通的目的。

3)支持人體感應探頭作為傳感器設備，獲取周圍環境中的信息。

4)支持以太網絡，使得智能的互聯網終端可以遠程訪問系統，支持服務器端圖表顯示終端信息，支持服務器控制終端。

5)支持系統對外部電器的控制。

1.1.2 系統設計原則

為了能讓系統長期穩定可靠地工作，在設計過程中需要遵循一定的原則。

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

2)智能性：作為所設計系統的核心功能，智能性表現在系統可以快速偵測環境的變化，并將信息反饋至主控模塊，由主控模塊分析處理，然后向驅動模塊發送控制指令。系統的智能性特點需要靠上層軟件完善的邏輯結構來完成。

3)低功耗性：系統在工作模式下應該可以以較低的功耗進行工作，以節省能源。

1.2 系統方案設計

所設計的系統需要工作在一個家庭網絡內，并組成網絡協同工作。如圖1所示，圖中左邊方框為所設計的系統，而右半部分則為系統的典型應用背景。

圖1 智能用電終端系統

在圖1的左半部分，由數個智能用電終端組成。其中一個終端與以太網連接，充當服務器端節點(Master)的角色，與外界網絡進行通信；其他終端則承擔普通節點(Nodes)的角色，相互之間可以進行數據傳輸，但無法直接與外界通信。將系統與外界網絡隔絕，一定程度上保障了數據安全與系統的穩定性。每一個智能用電終端都包含WirelessHART無線網絡模塊，用于和其他終端進行無線通信；同時也包含PLC模塊，通過電力線連接起來，可以進行相互通信。

1.2.1 普通節點的系統設計

在所設計的智能用電終端系統中，每一臺設備，包括網關節點，都具備普通節點的功能。對于每一個普通節點，希望它兼容WirelessHART網絡以及PLC網絡，又能驅動傳感器和外圍設備工作，設計方案如圖2所示。

圖2 普通節點的設計

一個普通的節點主要包含微控制器主控模塊、WirelessHART無線通信模塊、PLC模塊、傳感器模塊以及驅動模塊。

1.2.2 服務器端節點的系統設計

服務器端節點，除了包含上述模塊外，還應該包含一個以太網模塊，如圖3所示。

圖3 服務器節點的設計

服務器端的以太網模塊，使得系統可以通過互聯網傳輸數據。

1.3 系統硬件設計及實現

1.3.1 微控制器主控模塊

微控制器主控模塊是整個系統的核心，考慮到系統的復雜性和網絡的多元性，選取STM32F103ZET6芯片作為核心的微控制器。這是一個32位的Cortex-M3內核的ARM處理器，最高可達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公司的一個應用于1 GHz頻段以下并支持多種解調格式的射頻通信模塊[10]。

1.3.3 電力載波模塊

電力載波模塊負責電力線通信，考慮到成本以及符合中國國家標準，采用KQ330超低功耗載波通信接收模塊[11]。

1.3.4 傳感器模塊

為了演示系統的智能控制作用，需要在系統中添加一個人體感應傳感器。可以探測10 m以內有沒有活動物體走動，并在被觸發時生成一個脈沖信號，進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作為人體感應芯片[12]。

1.3.5 驅動模塊

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

1.3.6 以太網模塊

服務端的以太網模塊是供服務端與外界進行互聯通信的基礎，它不但為UART-PLC網絡提供網關功能，將內部數據轉發到外部網絡，還要為外部的智能終端設備提供查詢、控制等功能。選取ENC28J60模塊作為以太網通信芯片，該芯片是28引腳以太網控制器，具備低引腳數、低成本且高效易用等優點[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。這里采用UART以及SPI接口作為芯片間通信的主要協議。

UART是一種收發協議，廣泛應用于EIA、RS-232等接口，它能夠將信息通過并/串轉換成字節流來傳輸，也可以將字節流匯聚起來通過串/并轉換來還原信息[14]。

SPI是一種可以工作在全雙工模式下的同步的數據鏈路標準[15]。SPI通信的參與者分為主機和從機，其中主機可以指定數據幀結構，系統中的多個從機是通過片選引腳來決定是否處于工作狀態。

1.4 系統軟件實現

系統的硬件是支持系統應用的基礎，系統的上層軟件則是應用的具體實現。這里采用IAR EWARM v5.30作為開發工具，選用C語言作為開發語言，選用ST公司發布的STM32 Firmware Library v2.0.3作為開發庫[16]。

1.4.1 軟件設計框架

如圖4所示，軟件系統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M32內部模塊的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責協調各個模塊工作以及資源分配、系統計時、數據處理等任務；應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串口設備組網通信、傳感器控制以及外圍設備驅動控制模塊。

圖4 軟件系統架構

1.4.2 微控制器主控模塊

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

首先，配置復位和時鐘控制。系統先調用RCC_Deinit()函數對RCC時鐘進行初始化設置；再通過調用RCC_HSEConfig()函數來配置STM32采用外部晶振作為時鐘源，并啟用該晶振；接著開啟STM32內部Flash預存取功能，然后設置內部高級外設總線APB1和APB2高速通道時鐘，并啟用內部的PLL鎖相環模塊作為系統時鐘。

其次，系統調用NVIC_SetVectorTable()函數對微控制器的嵌入式中斷控制器進行初始化。

最后，系統調用GPIO_Configuration()函數對各個引腳進行初始化。

1.4.3 WirelessHART模塊

WirelessHART模塊，通過UART接口與微控制器進行通信。其中接口主要有兩個：發送數據接口和接收數據接口。發送數據接口函數通過調用主控模塊的函數庫USART_SendData()以及USART_ReceiveData()兩個函數來實現數據的發送，網絡層及更下層的傳輸功能由MSP430芯片負責。接收數據接口是一個緩沖區數據字符，并利用觸發中斷來通知MSP430對數據做進一步處理。

1.4.4 電力載波模塊

所采用的PLC模塊，可以通過UART接口與微控制器進行數據傳輸，將PLC模塊的TXD接口直接連接到微控制器的UART1的RX數據接收端，將PLC模塊的RXD接口通過2K限流電阻，連接到微控制器的TX數據發送端。

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，采用自定義工作模式。

1.4.5 服務器端以太網模塊

如圖5所示，以太網模塊主要由ENC28J60的硬件抽象層(hardware abstract layer)、SPI接口、TCP/IP協議棧以及上層的Web服務器組成。其中SPI接口負責與微控制器進行通信，進行數據傳輸；TCP/IP協議棧實現基本的TCP/IP網絡功能；Web服務器提供一個有限功能的Web服務器，以便與用戶進行交互。

圖5 以太網模塊

2 實 驗

智能用電終端系統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顯示及手動控制功能；對等節點間的電力線組網以及通信功能；WirelessHART通信以及Mesh網絡組建等功能。

2.1 家用電器工作狀態顯示及手動控制功能測試

該功能的測試僅需要服務器端單節點即可完成。首先將服務端節點外接上傳感器模塊、繼電器驅動模塊以及以太網模塊，并將以太網模塊連接到局域網內，使用筆記本通過無線網絡連接到同一個局域網內。對系統進行上電，更改系統源代碼里的IP地址和子網掩碼，以能接入到以太網絡進行通信。更改系統的訪問密碼，然后將測試代碼下載到主控芯片內，并運行。測試步驟如下：

1)測試人員遠離系統，等繼電器模塊斷開，家用電燈熄滅后，系統進入穩定狀態。此時，通過筆記本訪問同局域網內網址http://219.223.168.254/h403/頁面，可以觀察到電燈處于熄滅狀態。

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指示燈自動點亮，同時，繼電器閉合，家用電燈點亮。說明所設計系統的傳感器模塊工作正常。

3)訪問網址并刷新頁面，可以看到電燈處于點亮狀態。說明所設計系統對于家用電器的工作狀態顯示功能正常。

4)在網頁中手動點擊“關閉”命令，繼電器斷開，家用電燈熄滅，說明所設計系統的手動控制功能可以正常工作。

結果表明，該系統對4～5 m范圍內的人員能夠迅速做出反應，打開照明系統，并且可以通過Web服務器端查詢和手動控制照明系統的工作狀態。

2.2 電力組網及通信功能測試

將服務端的電力載波模塊連接到主控模塊上，并加入5個包含繼電器驅動模塊以及電力載波模塊的客戶端節點。編輯測試代碼，將每個節點的UART地址修改為單獨的地址。在測試中，將服務端的UART地址更改為1，5個客戶端節點的地址依次更改為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，如圖6所示。說明所設計系統的組網功能正常。

圖6 PLC網絡通信測試

2)在網頁上任意點擊一個LED燈的“閉合”按鈕，相應客戶端節點的繼電器閉合，點亮相應的LED燈，此時網頁上指示該燈處于點亮狀態。說明所設計系統電力線通信完全正常。

2.3 WirelessHART自組網通信功能測試

首先，將WirelessHART接收、發送模塊通過RS232電平轉換模塊和USB-RS232轉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試助手，接收模塊監聽串口數據，發送模塊往串口發送數據，測試接收端是否能完整接收數據；最后，將連接發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離發送模塊，觀測是否能正常接收。

經過測試，在馬路上，丟包率≤3%的條件下，使用兩個節點進行互相通信，得到的通信數據如表1所示。

表1 WirelessHART普通傳輸條件測試數據

在進行了普通測試以后，還對設備進行了穿透能力測試，以普通承重墻作為障礙物，在丟包率≤3%的條件下，得到兩個節點的傳輸數據如表2所示。

表2 WirelessHART穿透條件測試數據

3 結 語

針對家居用戶，提出了一種基于家庭異構網的智能用電終端系統，在結合如無線傳感器的外圍設備情況下，實現了系統智能化控制家居電器的目的，并支持以太網實現了遠程手動控制終端。由于系統結構的簡單性以及軟硬件的結合，保證了系統工作的可靠性、智能性以及低功耗性。

在未來，異構網絡環境下的智能用電終端系統將會朝著更高的兼容性方向發展，比如兼容更多的無線傳感設備。同時，在提高兼容性的過程中，提高系統的負載能力也是必不可少的。