摘 要： 基于能源越來越緊缺，節(jié)能變得越來越重要，研發(fā)了一種基于WiFi和ZigBee通信的電能管理智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)由管理中心、PAD和帶計量的控制終端（開關(guān)、插座）組成。管理中心通過ZigBee網(wǎng)絡讀取電器的控制狀態(tài)以及用電數(shù)據(jù)，PAD通過WiFi網(wǎng)絡讀取管理中心存儲的用電數(shù)據(jù)。PAD可以對家庭用電分類進行監(jiān)視和統(tǒng)計，用戶可以根據(jù)用電情況制定相應的節(jié)能用能措施，實現(xiàn)節(jié)約用電的目的。實踐證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以實現(xiàn)預定的結(jié)果。
關(guān)鍵詞： WiFi；節(jié)能；ZigBee
0 引言
隨著全球能源消耗不斷加大，全球氣候變暖已成為威脅人類生存的重大問題。因此，提高電能利用效率越來越成為社會的要求。研究如何實現(xiàn)家庭電能消耗的最優(yōu)配置和探求有效的電能節(jié)約途徑成為研究的熱點[1]，并出臺了相應的標準[2-4]。
對用戶來說，節(jié)能減排的最大動力就是能夠節(jié)約電費。雖然目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了諸多的節(jié)能電器，例如節(jié)能燈、節(jié)能空調(diào)、節(jié)能冰箱等，但是對這些電器的節(jié)能效果用戶只有能依據(jù)廠商宣傳的概念，并沒有這些電器耗能具體數(shù)據(jù)（換算成電費），無法對電器的節(jié)能與自己的投資進行比較。目前國內(nèi)僅對用戶安裝一塊電能表，用戶可以知道自己家庭每個月使用的總電費，但卻不知道這些電費都用到了什么方面，也就沒辦法針對關(guān)鍵耗能設(shè)備進行有效的節(jié)能，有效地推進節(jié)能。
智能家居的提出使得人們可以自動地實現(xiàn)對家用電器的控制。目前的智能家居系統(tǒng)對家庭設(shè)備的控制和舒適性的研究較多[5-6]，但對于家庭節(jié)能的方面研究較少。對于家庭節(jié)能的研究主要集中在理論和總用電模式方面。聚類集成的算法可以對用戶用電的特征進行識別[7]，但無法進行相應的、有效的調(diào)整。
本文主要實現(xiàn)了一種基于家居節(jié)能的智能家居系統(tǒng)，通過對智能開關(guān)和智能插座所計量電能的計量和統(tǒng)計，可以得到家庭用電的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，同時可以自動設(shè)計用電方案來控制家庭用電。
1 系統(tǒng)方案
整個方案包括外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)部分，智能家居系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入外網(wǎng)中，通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為家庭內(nèi)部WiFi網(wǎng)。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。
管理中心是智能家居系統(tǒng)的核心設(shè)備，負責用戶的用電設(shè)備集中接入和控制，并對設(shè)備用電信息進行收集、處理和存儲。同時，管理中心接收網(wǎng)關(guān)和PAD的WiFi命令，同時實現(xiàn)與室內(nèi)智能終端（智能開關(guān)、智能插座等）的通信。PAD可以實現(xiàn)與用戶的界面交互，用戶可以通過PAD實現(xiàn)對智能家居設(shè)備的控制和狀態(tài)查詢，以及設(shè)置智能用電控制方案。
2 系統(tǒng)網(wǎng)絡設(shè)計
智能家居系統(tǒng)可以劃分為外部網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)和內(nèi)部網(wǎng)3個部分。外部網(wǎng)采用以太網(wǎng)技術(shù)。常用的內(nèi)部網(wǎng)目前主要有有線和無線兩種方式。其中無線方式和電力線載波方式無需重新布線，在智能家居中得到了廣泛的應用。
在本方案中，內(nèi)部網(wǎng)有WiFi和ZigBee兩種方式。WiFi屬于近距離無線通信技術(shù)的一種。WiFi通信方式有AP（Access Point）-STA（Station）組網(wǎng)方式與Peer-to-Peer兩種組網(wǎng)方式[8]。這里采用AP-STA方式。網(wǎng)關(guān)作為WiFi的訪問點（AP），PAD和管理中心作為站點（STA），這樣可以有多個PAD或者主站同時訪問系統(tǒng)。WiFi具有較高的無線通信速率，可以實現(xiàn)PAD、網(wǎng)關(guān)與管理中心之間大量數(shù)據(jù)的快速通信。
管理中心與各終端設(shè)備之間采用ZigBee通信技術(shù)。ZigBee是一種短距離無線網(wǎng)絡技術(shù)，具有低功耗、低復雜度、自組織網(wǎng)、低數(shù)據(jù)速率的特點。ZigBee傳輸速度為20 kb/s~250 kb/s，傳輸距離介于10 m~100 m[9-10]，國內(nèi)的通信頻率在2.4 GHz。相對于WiFi通信方式，ZigBee速率較低，功耗較小，具有自動組網(wǎng)路由功能，可以根據(jù)通信環(huán)境自動切換到合適的頻道。
ZigBee網(wǎng)絡層支持三種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，即星型結(jié)構(gòu)（Star）、簇狀結(jié)構(gòu)（Cluster tree）和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（Mesh）。本系統(tǒng)中采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這樣可以實現(xiàn)室內(nèi)各通信節(jié)點的路由。管理中心ZigBee設(shè)計為ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator），其余產(chǎn)品中ZigBee設(shè)計為ZigBee路由器（Router）。為了簡化設(shè)計，本系統(tǒng)中的ZigBee封裝為一個ZigBee模塊，模塊與控制裝置之間使用UART口進行通信。
當完成系統(tǒng)的安裝上電后，室內(nèi)ZigBee網(wǎng)絡組網(wǎng)過程如下：使用手持設(shè)備讀取各終端ZigBee的MAC地址把各終端ZigBee的MAC地址輸入到管理中心內(nèi)，管理中心再把MAC地址添加到ZigBee協(xié)調(diào)器內(nèi)，各ZigBee節(jié)點自動加入到協(xié)調(diào)器中，組織成一個網(wǎng)絡。
ZigBee在系統(tǒng)中的配置如圖2所示。
3 管理中心的設(shè)計
管理中心接收各終端的數(shù)據(jù)，同時把各種用戶對終端的操作通過ZigBee下發(fā)到終端，完成對終端的操作。同時存儲和分析用戶的電能數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對家庭用電的智能控制。
3.1 管理中心硬件設(shè)計
管理中心的硬件框架圖如圖3所示。
管理中心基于ATMEL的ARM9主處理芯片進行設(shè)計，芯片主頻為1 GHz，內(nèi)存為512 MB，程序Flash空間 為8 MB，數(shù)據(jù)存儲Flash空間為128 MB。管理中心電源由外部5 V電源供電。通過485總線，可以實現(xiàn)對管理中心的WiFi等參數(shù)的配置。管理中心也可以通過485總線讀取其他設(shè)備的數(shù)據(jù)。完成配置后，管理中心WiFi登錄網(wǎng)關(guān)的訪問點，加入WiFi網(wǎng)絡。同時PAD也加入室內(nèi)的WiFi網(wǎng)絡，PAD可以通過WiFi通道對管理中心進行參數(shù)設(shè)置和用電方案的設(shè)置，以及讀取用電數(shù)據(jù)等。
3.2 管理中心的軟件設(shè)計
管理中心的軟件基于Linux內(nèi)核，采用C++編程語言進行開發(fā)。Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，是一個基于POSIX和Unix的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。Linux的內(nèi)核精簡而高效，可修改性強，支持多種體系結(jié)構(gòu)，而且具有非常好的網(wǎng)絡性能[11]，同時免費使用也使得Linux操作系統(tǒng)越來越多地用于嵌入式軟件開發(fā)。
與傳統(tǒng)的智能家居不同的是，本管理中心中加入了對用電量的采集和控制功能。用電量采集的UML序列圖如圖4所示。
廣播凍結(jié)的方式使得各終端的電量凍結(jié)時間高度一致，保證統(tǒng)計精確度。管理中心內(nèi)部有實時時鐘芯片，在掉電情況下利用電池對實時時鐘芯片供電，保證實時時鐘的準確性。用戶可以根據(jù)需要設(shè)置凍結(jié)的時間間隔，得到相應的用電曲線。
當用戶需要了解用電情況時，可以用電腦主站軟件通過以太網(wǎng)訪問管理中心的用電數(shù)據(jù)，或者使用PAD通過WiFi網(wǎng)絡訪問用電數(shù)據(jù)，在電腦或者PAD上顯示出用戶的用電曲線以及用電統(tǒng)計數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)用電情況制定相應的用電方案。
4 終端產(chǎn)品的設(shè)計
終端產(chǎn)品主要包括智能開關(guān)和智能插座等產(chǎn)品，同時也可以接入其他WiFi或ZigBee設(shè)備。智能開關(guān)與智能插座可以實現(xiàn)對電器產(chǎn)品的通斷電控制，同時實現(xiàn)對電器用電的檢測和用電情況的上傳。
4.1 硬件設(shè)計
由于智能開關(guān)與智能插座內(nèi)的空間有限，要實現(xiàn)諸多功能，硬件計量采用了單芯片計量方案，采用V9811芯片作為主芯片。V9811與ZigBee模塊之間通過UART口通信。
硬件架構(gòu)圖如圖5所示。
V9811是一款單相電能計量SoC芯片，它集成了模擬前端、電能計量模塊、增強型8052內(nèi)核、RTC、WDT、Flash、SRAM和LCD驅(qū)動等功能，可為單相多功能電能計量提供單芯片解決方案。V9811芯片具有128 KB的Flash存儲器，具有寫保護和加密功能，支持ISP和IAP，具有4 KB外部SRAM存儲器。
電壓使用電阻分壓電路進行采樣，電流使用錳銅分流器進行采樣，V9811芯片采用UART口與ZigBee模塊進行通信，液晶顯示使用V9811集成的LCD驅(qū)動進行顯示（智能開關(guān)沒有液晶顯示）。
4.2 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計代碼采用C編程語言進行編寫。端口主要有調(diào)制型紅外端口和ZigBee串口。當累計夠0.01 kWh時，累計電量。當發(fā)現(xiàn)掉電事件時，把電量存儲進EEPROM中，保證電量掉電不丟失。在智能開關(guān)中，沒有數(shù)據(jù)顯示。
計量終端實現(xiàn)對用電量的計量，當收到管理中心的控制或者查詢命令時，實現(xiàn)對設(shè)備用電的控制和用電情況查詢。當檢測到用電異常時，計量終端向管理中心上報用電異常情況。
5 系統(tǒng)運行效果
系統(tǒng)運行中，WiFi與ZigBee通信均正常，沒有出現(xiàn)堵塞或者斷線情況。使用本家庭能源管理系統(tǒng)后，用戶不但可以使用PAD、手機或遠程主站控制自己的家用電器通斷電，還能觀察自己家庭的用能曲線圖，以及各種電器的用電組成。從PAD上看到的家庭用電情況如圖6所示。
6 結(jié)論
本文實現(xiàn)了一種基于智能用電的智能家居方案。方案通過WiFi和ZigBee無線通信作為室內(nèi)通信方案，采用智能開關(guān)和智能插座用來控制和計量室內(nèi)各線路的用電量，管理中心定時采集各智能開關(guān)、智能插座的用電數(shù)據(jù)，生成用電曲線，方便用戶得到用電詳細清單，同時實現(xiàn)智能用電。
參考文獻
[1] 彭金華，舒少龍，林峰，等.家庭能耗管理系統(tǒng)研究綜述[J].電力需求側(cè)管理，2011，13（1）：35-38.
[2] GB/T15316-2009節(jié)能監(jiān)測技術(shù)通則[S].2009.
[3] GB/T28750-2012節(jié)能量測量和驗證技術(shù)通則[S].2012.
[4] 國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導則[S].2008.
[5] 趙虹鈞.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計[D].上海：上海交通大學，2007.
[6] 蘇詩薦，章杰，林培杰，等.一種即插即用的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應用，2014，33（22）：4-7.
[7] 黃劍文，嚴宇平.基于聚類集成的用戶負荷模式識別[J].計算機應用與軟件，2014，31（12）：237-241.
[8] 金純，陳林星，楊吉云.IEEE 802.11無線局域網(wǎng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.
[9] 馬菁菁.ZigBee無線通信技術(shù)在智能家居中的應用研究[D].武漢：武漢理工大學，2007.
[10] 高鍵，方濱，尹金玉，等．ZigBee無線通信網(wǎng)絡節(jié)點設(shè)計與組網(wǎng)實現(xiàn)[J]．計算機測量與控制，2008，16（12）：1912-1914.
[11] 王亞軍，劉金剛.Linux運用于嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)分析[J].計算機應用研究，2005（5）：102-104.