基于复费率电表的智能家居用电控制器的设计

　　引言

　　2009年5月，“智能电网”一词正式进入大众视野，国家电网公司正式布局“智能电网”。智能电网具有快自愈，快响应等特点。在我国，电力资源分配不均，电能浪费较大，电能利用率不高，因此越来越多的研究者致力于解决上述问题。除此之外，用户的用电行为习惯也影响着电网的良好运行。本文结合用户用电行为习惯和实时电价对电网用电的影响，设计了基于复费率电表的实/分时电价智能用电控制器来从用户端平衡电能负荷。该控制器通过”错峰用电”的方式来避免电高峰时电能不足，用电低谷时电能富于的状况。尤其是在当用户家中，具有大功率用电器可能同时应用时，以较小的电价来实现提前运行该大功率用电设备将极大地减小经济和环境开销，具有很强的经济效益。

　　1.总体方案

　　复费率电表相较于机械电表具有电能计算精准，可靠性强，智能化程度高等特点，不仅支持远程抄表、实时电价发布、电量报警、预付费等功能，还能方便地对用户的用电信息进行统计和查询等。家居智能用电控制器在家居系统中的位置如下图1所示，该控制器在不改变家居用电布局的前提下接入家居网络，通过复费率电表的通讯口(RS485)接入家居网络并对电器设备用电情况进行控制，同时通过监测复费率电表的实时电价来产生对家庭用电设备的控制命令，以及实现相应的用电习惯的采集，为后期用电策略的制定提供依据。智能用电控制器的层次结构如图1。

图1智能用电控制器示意图

　　智能用电控制器分主控制器和智能插座两部分，主控制器的控制结构分为五部分，嵌入式数据库、决策器、通信处理模块、以及核心处理器、以及必备外围部件。智能插座由网络模块，MCU，以及必备的硬件电路组成。主控制器从复费率RS485口接入实/分时电价，存储在嵌入式数据库中，建立电价与时段——峰、平、谷的对应关系，并通过已记录的用户用电行为信息来形成用电建议。主控制器兼具Zigbee和Wi-Fi两种网络通信方式，能适用于Zigbee家居网络的用户和普通家居网络。

图2 智能用电控制器架构

　　2.硬件设计

　　主控制器选用Samsung公司的S3C2440为处理器，搭配128M的存储空间，精简设计并预留部分扩展口，主控制器采用如图3的原理框图，在智能插座端，提供两种网络选择，采用如图4的结构电路。

　　主控制器采用12MHz的输入晶振，最后输出400MHz的时钟频率到核心控制器;采用通用5V电源供电方式，提供对各个应用接口和模块的用电需求;控制器采用4.3寸TFT液晶显示屏来显示终端控制程序的运行状态，具有良好的体验界面，除此之外，还保留复位电路，支持一键复位功能;主控制器通过RS 485从复费率电表中采集实/分时电价信息并存储在嵌入式数据库中，并提供给决策器使用;主控制器在不影响家居现有网络环境的情况下分别通过Zigbee，Wi-Fi网络模块加入本就具备Zigbee的家居网络和普通Wi-Fi家居网络来实现对智能插座的控制，从而实现对家用电器设备的实时控制。

　　智能插座除具备主控制同样的网络模块外，微处理器采用STM32f103系列主控芯片，搭载适当的晶振电路，复位电路，以及调试接口，继电器电路等。

　　3.软件设计

　　3.1网络通信的设计实现

　　本设计中采用Zigbee和Wi-Fi两种网络通信方式，Zigbee网络主要是针对存在智能家居网关的环境，Wi-Fi通信方式主要针对不具有智能家居网关的家居环境。

　　Zigbee通信方式的设计

　　主控制器和智能插座采用Zigbee通信模块作为控制网络的接入，主采用FFD类型[5]，当主控制器通过Zigbee网络通信模块将控制命令法送给智能网关，网关收到控制命令后，据传递协议，解析该控制命令传递的对象，再通过网内短地址与控制协议的映射关系，将命令转发给相应的节点设备，因此可以采用如表1的控制协议。

　　Wi –Fi通信方式的设计

　　设计中的所有Wi-Fi 模块在加入网络时，须从家居Wi-Fi网络中获得一个静态IP地址，且所有家居网络中的所有设备(包括网关、节点、智能用电控制器、以及用户设备)地址不同。则智能用电控制器可以通过在家居网络中控制每一个单个用电设备。

　　表1 智能用电控制器应用层统一管理协议UDCP报文格式

　　帧控制字：用以判定节点(包括主制器和智能插座以及网关)对该帧的处理方式。若接收该帧的设备的地址和数据包中的设备地址字段相符，则节点自动拆包，否则自动转发该数据包，并自动填充十六进制数0x00。从始发节点(控制器或者节点)发出的所有数据报该字段将填充0x00。该字段默认0x11—拆包。

　　设备地址：指节点从家居网络中获得的实际网内地址(Wi-Fi网络则取网络地址后16bit)自动将该地址转换成对应的十六进制数并填充至该字段。

　　网络通信过程

　　通过主控制器终端程序实现网络的选取、以及家居环境中所存在的不同种电器设备的配置来实现对整个家居网络中用电设备的用电控制。网内智能用电控制器、网关、智能插座间的通信如图5所示。

图5 一次网内通信流程

　　收到上述管理帧的所有节点将该帧帧地址字段和自己的地址字段进行比较以判定该帧是否需要转发，若是则节点自动在该帧的帧控制字字段中填充0x00,否则立即拆包并解析相应数据。数据包从主控制器与智能插座间的通讯过程构成整个通信流程，唯一不同的是，节点上传用户用电行为时，控制命令字段仅存在两种情况，即用户触发家电用电和无触发行为，分别用十六进制数0x10和0x20标识。

　　3.2决策器设计

　　嵌入式数据库设计

　　主控制器具有手动和自主两种运行模式，采用三层设计，包括电力接入通讯层、用电信息处理层和用电行为指导层。用电信息处理层主要完成对所采集的所有数据的处理，并提供决策器使用，从而产生用电行为指导建议。

　　智能家居用电控制器采用SQLite为嵌入式数据库，将处理后的信息并存储在嵌入式数据库。主控制器采集峰、平、谷三时段的电价信息，并对各个时段的历史电价信息进行分析统计，当电价逼近历史统计值的期望值时，向相应的决策函数发出信号，因此数据库可按照如下表2方式建立电价信息数据表.

　　表2 分/实时电价数据表

　　电力接入通讯层将所更新的电价信息按照上表插入到电价数据表的对应字段并统计历史信息和记录用户用电行为;电信息处理层利用统计学方法计算各时段均值，利用已经得到的各时段均值和对应时段电价的比值来确定当前时段电价的可利用性并填充至如表3的数据库表中，从而为决策函数提供判据。智能插座采集到的用户用电行为习惯经处理后汇总在电行为指导层对应的数据表4中。

　　表3 电价历史分析表

　　表4 用户用电行为表

　　决策机制设计

　　主控制器有手动和自主两种模式。手动模式下，无论当前电价处于高峰还是低估，家居环境中的所有家用电器设备不受主控制器的限制，但主控制器记录用户的用电行为，如“18时30分：开启热水器”;自主模式下，首先判定当前是否有用户的手动控制家用电器，若有则主控制器转入手动模式，若无用户操作，则主控制器查询是否有未调度的任务，若存在尚未调度的任务，则根据表三中的比值来判定当前电能的可用性，以是否允许该家电设备工作。否则，从手动模式下统计(统计时段长度默认为一周)到的用电行为习惯来预测用户的行为习惯，并开启自动提醒功能，提示用户选取可执行的用电行为。其决策流程图可表示为图6。

图6 智能用电控制器决策流程

　　4.结束语

　　本文针对复费率电表不同时段不同费率的特点，设计了基于该类表的智能用电控制器，并详细设计了该智能用主控制器和智能插座的硬件结构，并依据实际需要设计了软件控制流程和控制机制。

　　本设计立足于家居生活环境，从家庭用电的实际出发，利用峰、平、谷电价不同这一特点，采取“移峰填谷”的思想，错峰用电的方式改变家居用电习惯，但考虑到用户自身的用电习惯，将用户的实际控制能力保持在第一位，控制器低级别运行，构建了该设计。智能用电控制器，实用性强，对于节省电能资源和优化能力调度以及普及低碳生活具有很强的现实意义。

　　2012年重庆邮电大学国家级/重庆市级大学生创新创业训练计划项目(201210617004)

　　重庆市科技攻关(科普类)项目-物联网科普系列丛书(cstc2012gg-kplB40006)

　　重庆市科技攻关(科普类)项目-物联网互动体验馆科普展品及教具研发(cstc2012gg-kplB40005)

　　“教学做评”四位一体的实训模式的探索与研究XJG1204