一种基于WiFi和ZigBee通信的家庭用电管理系统

摘 要： 基于能源越来越紧缺，节能变得越来越重要，研发了一种基于WiFi和ZigBee通信的电能管理智能家居系统。系统由管理中心、PAD和带计量的控制终端（开关、插座）组成。管理中心通过ZigBee网络读取电器的控制状态以及用电数据，PAD通过WiFi网络读取管理中心存储的用电数据。PAD可以对家庭用电分类进行监视和统计，用户可以根据用电情况制定相应的节能用能措施，实现节约用电的目的。实践证明，该系统工作稳定，可以实现预定的结果。

0 引言

随着全球能源消耗不断加大，全球气候变暖已成为威胁人类生存的重大问题。因此，提高电能利用效率越来越成为社会的要求。研究如何实现家庭电能消耗的最优配置和探求有效的电能节约途径成为研究的热点[1]，并出台了相应的标准[2-4]。

对用户来说，节能减排的最大动力就是能够节约电费。虽然目前市场上已经出现了诸多的节能电器，例如节能灯、节能空调、节能冰箱等，但是对这些电器的节能效果用户只有能依据厂商宣传的概念，并没有这些电器耗能具体数据（换算成电费），无法对电器的节能与自己的投资进行比较。目前国内仅对用户安装一块电能表，用户可以知道自己家庭每个月使用的总电费，但却不知道这些电费都用到了什么方面，也就没办法针对关键耗能设备进行有效的节能，有效地推进节能。

智能家居的提出使得人们可以自动地实现对家用电器的控制。目前的智能家居系统对家庭设备的控制和舒适性的研究较多[5-6]，但对于家庭节能的方面研究较少。对于家庭节能的研究主要集中在理论和总用电模式方面。聚类集成的算法可以对用户用电的特征进行识别[7]，但无法进行相应的、有效的调整。

本文主要实现了一种基于家居节能的智能家居系统，通过对智能开关和智能插座所计量电能的计量和统计，可以得到家庭用电的统计数据，同时可以自动设计用电方案来控制家庭用电。

1 系统方案

整个方案包括外网和内网部分，智能家居系统通过以太网接入外网中，通过网关转换为家庭内部WiFi网。系统架构图如图1所示。

管理中心是智能家居系统的核心设备，负责用户的用电设备集中接入和控制，并对设备用电信息进行收集、处理和存储。同时，管理中心接收网关和PAD的WiFi命令，同时实现与室内智能终端（智能开关、智能插座等）的通信。PAD可以实现与用户的界面交互，用户可以通过PAD实现对智能家居设备的控制和状态查询，以及设置智能用电控制方案。

2 系统网络设计

智能家居系统可以划分为外部网、网关和内部网3个部分。外部网采用以太网技术。常用的内部网目前主要有有线和无线两种方式。其中无线方式和电力线载波方式无需重新布线，在智能家居中得到了广泛的应用。

在本方案中，内部网有WiFi和ZigBee两种方式。WiFi属于近距离无线通信技术的一种。WiFi通信方式有AP（Access Point）-STA（Station）组网方式与Peer-to-Peer两种组网方式[8]。这里采用AP-STA方式。网关作为WiFi的访问点（AP），PAD和管理中心作为站点（STA），这样可以有多个PAD或者主站同时访问系统。WiFi具有较高的无线通信速率，可以实现PAD、网关与管理中心之间大量数据的快速通信。

管理中心与各终端设备之间采用ZigBee通信技术。ZigBee是一种短距离无线网络技术，具有低功耗、低复杂度、自组织网、低数据速率的特点。ZigBee传输速度为20 kb/s~250 kb/s，传输距离介于10 m~100 m[9-10]，国内的通信频率在2.4 GHz。相对于WiFi通信方式，ZigBee速率较低，功耗较小，具有自动组网路由功能，可以根据通信环境自动切换到合适的频道。

ZigBee网络层支持三种网络拓扑结构，即星型结构（Star）、簇状结构（Cluster tree）和网状结构（Mesh）。本系统中采用网状结构，这样可以实现室内各通信节点的路由。管理中心ZigBee设计为ZigBee协调器（Coordinator），其余产品中ZigBee设计为ZigBee路由器（Router）。为了简化设计，本系统中的ZigBee封装为一个ZigBee模块，模块与控制装置之间使用UART口进行通信。

当完成系统的安装上电后，室内ZigBee网络组网过程如下：使用手持设备读取各终端ZigBee的MAC地址把各终端ZigBee的MAC地址输入到管理中心内，管理中心再把MAC地址添加到ZigBee协调器内，各ZigBee节点自动加入到协调器中，组织成一个网络。

ZigBee在系统中的配置如图2所示。

3 管理中心的设计

管理中心接收各终端的数据，同时把各种用户对终端的操作通过ZigBee下发到终端，完成对终端的操作。同时存储和分析用户的电能数据，实现对家庭用电的智能控制。

3.1 管理中心硬件设计

管理中心的硬件框架图如图3所示。

管理中心基于ATMEL的ARM9主处理芯片进行设计，芯片主频为1 GHz，内存为512 MB，程序Flash空间 为8 MB，数据存储Flash空间为128 MB。管理中心电源由外部5 V电源供电。通过485总线，可以实现对管理中心的WiFi等参数的配置。管理中心也可以通过485总线读取其他设备的数据。完成配置后，管理中心WiFi登录网关的访问点，加入WiFi网络。同时PAD也加入室内的WiFi网络，PAD可以通过WiFi通道对管理中心进行参数设置和用电方案的设置，以及读取用电数据等。

3.2 管理中心的软件设计

管理中心的软件基于Linux内核，采用C++编程语言进行开发。Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，是一个基于POSIX和Unix的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。Linux的内核精简而高效，可修改性强，支持多种体系结构，而且具有非常好的网络性能[11]，同时免费使用也使得Linux操作系统越来越多地用于嵌入式软件开发。

与传统的智能家居不同的是，本管理中心中加入了对用电量的采集和控制功能。用电量采集的UML序列图如图4所示。

广播冻结的方式使得各终端的电量冻结时间高度一致，保证统计精确度。管理中心内部有实时时钟芯片，在掉电情况下利用电池对实时时钟芯片供电，保证实时时钟的准确性。用户可以根据需要设置冻结的时间间隔，得到相应的用电曲线。

当用户需要了解用电情况时，可以用电脑主站软件通过以太网访问管理中心的用电数据，或者使用PAD通过WiFi网络访问用电数据，在电脑或者PAD上显示出用户的用电曲线以及用电统计数据。用户可以根据用电情况制定相应的用电方案。

4 终端产品的设计

终端产品主要包括智能开关和智能插座等产品，同时也可以接入其他WiFi或ZigBee设备。智能开关与智能插座可以实现对电器产品的通断电控制，同时实现对电器用电的检测和用电情况的上传。

4.1 硬件设计

由于智能开关与智能插座内的空间有限，要实现诸多功能，硬件计量采用了单芯片计量方案，采用V9811芯片作为主芯片。V9811与ZigBee模块之间通过UART口通信。

硬件架构图如图5所示。

V9811是一款单相电能计量SoC芯片，它集成了模拟前端、电能计量模块、增强型8052内核、RTC、WDT、Flash、SRAM和LCD驱动等功能，可为单相多功能电能计量提供单芯片解决方案。V9811芯片具有128 KB的Flash存储器，具有写保护和加密功能，支持ISP和IAP，具有4 KB外部SRAM存储器。

电压使用电阻分压电路进行采样，电流使用锰铜分流器进行采样，V9811芯片采用UART口与ZigBee模块进行通信，液晶显示使用V9811集成的LCD驱动进行显示（智能开关没有液晶显示）。

4.2 软件设计

软件设计代码采用C编程语言进行编写。端口主要有调制型红外端口和ZigBee串口。当累计够0.01 kWh时，累计电量。当发现掉电事件时，把电量存储进EEPROM中，保证电量掉电不丢失。在智能开关中，没有数据显示。

计量终端实现对用电量的计量，当收到管理中心的控制或者查询命令时，实现对设备用电的控制和用电情况查询。当检测到用电异常时，计量终端向管理中心上报用电异常情况。

5 系统运行效果

系统运行中，WiFi与ZigBee通信均正常，没有出现堵塞或者断线情况。使用本家庭能源管理系统后，用户不但可以使用PAD、手机或远程主站控制自己的家用电器通断电，还能观察自己家庭的用能曲线图，以及各种电器的用电组成。从PAD上看到的家庭用电情况如图6所示。

6 结论

本文实现了一种基于智能用电的智能家居方案。方案通过WiFi和ZigBee无线通信作为室内通信方案，采用智能开关和智能插座用来控制和计量室内各线路的用电量，管理中心定时采集各智能开关、智能插座的用电数据，生成用电曲线，方便用户得到用电详细清单，同时实现智能用电。

参考文献

[1] 彭金华，舒少龙，林峰，等.家庭能耗管理系统研究综述[J].电力需求侧管理，2011，13（1）：35-38.

[2] GB/T15316-2009节能监测技术通则[S].2009.

[3] GB/T28750-2012节能量测量和验证技术通则[S].2012.

[4] 国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据采集技术导则[S].2008.

[5] 赵虹钧.基于ZigBee技术的智能家居系统的设计[D].上海：上海交通大学，2007.

[6] 苏诗荐，章杰，林培杰，等.一种即插即用的智能家居系统设计[J].微型机与应用，2014，33（22）：4-7.

[7] 黄剑文，严宇平.基于聚类集成的用户负荷模式识别[J].计算机应用与软件，2014，31（12）：237-241.

[8] 金纯，陈林星，杨吉云.IEEE 802.11无线局域网[M].北京：电子工业出版社，2004.

[9] 马菁菁.ZigBee无线通信技术在智能家居中的应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[10] 高键，方滨，尹金玉，等．ZigBee无线通信网络节点设计与组网实现[J]．计算机测量与控制，2008，16（12）：1912-1914.

[11] 王亚军，刘金刚.Linux运用于嵌入式系统的技术分析[J].计算机应用研究，2005（5）：102-104.