摘  要： 基于能源越來(lái)越緊缺，節(jié)能變得越來(lái)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(jì)量的控制終端（開(kāi)關(guān)、插座）組成。管理中心通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)讀取電器的控制狀態(tài)以及用電數(shù)據(jù)，PAD通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)讀取管理中心存儲(chǔ)的用電數(shù)據(jù)。PAD可以對(duì)家庭用電分類(lèi)進(jìn)行監(jiān)視和統(tǒng)計(jì)，用戶可以根據(jù)用電情況制定相應(yīng)的節(jié)能用能措施，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用電的目的。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)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(lèi)生存的重大問(wèn)題。因此，提高電能利用效率越來(lái)越成為社會(huì)的要求。研究如何實(shí)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(diǎn)[1]，并出臺(tái)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。

　　對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，節(jié)能減排的最大動(dòng)力就是能夠節(jié)約電費(fèi)。雖然目前市場(chǎng)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(duì)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(méi)有這些電器耗能具體數(shù)據(jù)（換算成電費(fèi)），無(wú)法對(duì)電器的節(jié)能與自己的投資進(jìn)行比較。目前國(guó)內(nèi)僅對(duì)用戶安裝一塊電能表，用戶可以知道自己家庭每個(gè)月使用的總電費(fèi)，但卻不知道這些電費(fèi)都用到了什么方面，也就沒(méi)辦法針對(duì)關(guān)鍵耗能設(shè)備進(jìn)行有效的節(jié)能，有效地推進(jìn)節(jié)能。

　　智能家居的提出使得人們可以自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的控制。目前的智能家居系統(tǒng)對(duì)家庭設(shè)備的控制和舒適性的研究較多[5-6]，但對(duì)于家庭節(jié)能的方面研究較少。對(duì)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(lèi)集成的算法可以對(duì)用戶用電的特征進(jìn)行識(shí)別[7]，但無(wú)法進(jìn)行相應(yīng)的、有效的調(diào)整。

　　本文主要實(shí)現(xiàn)了一種基于家居節(jié)能的智能家居系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)智能開(kāi)關(guān)和智能插座所計(jì)量電能的計(jì)量和統(tǒng)計(jì)，可以得到家庭用電的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以自動(dòng)設(shè)計(jì)用電方案來(lái)控制家庭用電。

1 系統(tǒng)方案

　　整個(gè)方案包括外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)部分，智能家居系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接入外網(wǎng)中，通過(guò)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(fù)責(zé)用戶的用電設(shè)備集中接入和控制，并對(duì)設(shè)備用電信息進(jìn)行收集、處理和存儲(chǔ)。同時(shí)，管理中心接收網(wǎng)關(guān)和PAD的WiFi命令，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與室內(nèi)智能終端（智能開(kāi)關(guān)、智能插座等）的通信。PAD可以實(shí)現(xiàn)與用戶的界面交互，用戶可以通過(guò)PAD實(shí)現(xiàn)對(duì)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(luò)設(shè)計(jì)

　　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(gè)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(wú)線兩種方式。其中無(wú)線方式和電力線載波方式無(wú)需重新布線，在智能家居中得到了廣泛的應(yīng)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(wú)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(wèn)點(diǎn)（AP），PAD和管理中心作為站點(diǎn)（STA），這樣可以有多個(gè)PAD或者主站同時(shí)訪問(wèn)系統(tǒng)。WiFi具有較高的無(wú)線通信速率，可以實(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有低功耗、低復(fù)雜度、自組織網(wǎng)、低數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)。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(guó)內(nèi)的通信頻率在2.4 GHz。相對(duì)于WiFi通信方式，ZigBee速率較低，功耗較小，具有自動(dòng)組網(wǎng)路由功能，可以根據(jù)通信環(huán)境自動(dòng)切換到合適的頻道。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)層支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)室內(nèi)各通信節(jié)點(diǎn)的路由。管理中心ZigBee設(shè)計(jì)為ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator），其余產(chǎn)品中ZigBee設(shè)計(jì)為ZigBee路由器（Router）。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)中的ZigBee封裝為一個(gè)ZigBee模塊，模塊與控制裝置之間使用UART口進(jìn)行通信。

　　當(dāng)完成系統(tǒng)的安裝上電后，室內(nèi)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過(guò)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(diǎn)自動(dòng)加入到協(xié)調(diào)器中，組織成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

　　ZigBee在系統(tǒng)中的配置如圖2所示。

3 管理中心的設(shè)計(jì)

　　管理中心接收各終端的數(shù)據(jù)，同時(shí)把各種用戶對(duì)終端的操作通過(guò)ZigBee下發(fā)到終端，完成對(duì)終端的操作。同時(shí)存儲(chǔ)和分析用戶的電能數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭用電的智能控制。

　　3.1 管理中心硬件設(shè)計(jì)

　　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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(chǔ)Flash空間為128 MB。管理中心電源由外部5 V電源供電。通過(guò)485總線，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管理中心的WiFi等參數(shù)的配置。管理中心也可以通過(guò)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(wèn)點(diǎn)，加入WiFi網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)PAD也加入室內(nèi)的WiFi網(wǎng)絡(luò)，PAD可以通過(guò)WiFi通道對(duì)管理中心進(jìn)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(jì)

　　管理中心的軟件基于Linux內(nèi)核，采用C++編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Linux是一套免費(fèi)使用和自由傳播的類(lèi)Unix操作系統(tǒng)，是一個(gè)基于POSIX和Unix的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。Linux的內(nèi)核精簡(jiǎn)而高效，可修改性強(qiáng)，支持多種體系結(jié)構(gòu)，而且具有非常好的網(wǎng)絡(luò)性能[11]，同時(shí)免費(fèi)使用也使得Linux操作系統(tǒng)越來(lái)越多地用于嵌入式軟件開(kāi)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(duì)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?jī)鼋Y(jié)時(shí)間高度一致，保證統(tǒng)計(jì)精確度。管理中心內(nèi)部有實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，在掉電情況下利用電池對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片供電，保證實(shí)時(shí)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。用戶可以根據(jù)需要設(shè)置凍結(jié)的時(shí)間間隔，得到相應(yīng)的用電曲線。

　　當(dāng)用戶需要了解用電情況時(shí)，可以用電腦主站軟件通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)管理中心的用電數(shù)據(jù)，或者使用PAD通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)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(jì)數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)用電情況制定相應(yīng)的用電方案。

4 終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

　　終端產(chǎn)品主要包括智能開(kāi)關(guān)和智能插座等產(chǎn)品，同時(shí)也可以接入其他WiFi或ZigBee設(shè)備。智能開(kāi)關(guān)與智能插座可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電器產(chǎn)品的通斷電控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電器用電的檢測(cè)和用電情況的上傳。

　　4.1 硬件設(shè)計(jì)

　　由于智能開(kāi)關(guān)與智能插座內(nèi)的空間有限，要實(shí)現(xiàn)諸多功能，硬件計(jì)量采用了單芯片計(jì)量方案，采用V9811芯片作為主芯片。V9811與ZigBee模塊之間通過(guò)UART口通信。

　　硬件架構(gòu)圖如圖5所示。

　　V9811是一款單相電能計(jì)量SoC芯片，它集成了模擬前端、電能計(jì)量模塊、增強(qiáng)型8052內(nèi)核、RTC、WDT、Flash、SRAM和LCD驅(qū)動(dòng)等功能，可為單相多功能電能計(jì)量提供單芯片解決方案。V9811芯片具有128 KB的Flash存儲(chǔ)器，具有寫(xiě)保護(hù)和加密功能，支持ISP和IAP，具有4 KB外部SRAM存儲(chǔ)器。

　　電壓使用電阻分壓電路進(jìn)行采樣，電流使用錳銅分流器進(jìn)行采樣，V9811芯片采用UART口與ZigBee模塊進(jìn)行通信，液晶顯示使用V9811集成的LCD驅(qū)動(dòng)進(jìn)行顯示（智能開(kāi)關(guān)沒(méi)有液晶顯示）。

　　4.2 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)代碼采用C編程語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。端口主要有調(diào)制型紅外端口和ZigBee串口。當(dāng)累計(jì)夠0.01 kWh時(shí)，累計(jì)電量。當(dāng)發(fā)現(xiàn)掉電事件時(shí)，把電量存儲(chǔ)進(jìn)EEPROM中，保證電量掉電不丟失。在智能開(kāi)關(guān)中，沒(méi)有數(shù)據(jù)顯示。

　　計(jì)量終端實(shí)現(xiàn)對(duì)用電量的計(jì)量，當(dāng)收到管理中心的控制或者查詢命令時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備用電的控制和用電情況查詢。當(dāng)檢測(cè)到用電異常時(shí)，計(jì)量終端向管理中心上報(bào)用電異常情況。

5 系統(tǒng)運(yùn)行效果

　　系統(tǒng)運(yùn)行中，WiFi與ZigBee通信均正常，沒(méi)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(jī)或遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)了一種基于智能用電的智能家居方案。方案通過(guò)WiFi和ZigBee無(wú)線通信作為室內(nèi)通信方案，采用智能開(kāi)關(guān)和智能插座用來(lái)控制和計(jì)量室內(nèi)各線路的用電量，管理中心定時(shí)采集各智能開(kāi)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(xì)清單，同時(shí)實(shí)現(xiàn)智能用電。

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