一种面向智能用电的通信与控制系统
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摘要：针对现有家庭智能用电设备的研发与应用现状，提出了一种面向家庭智能用电的通信与控制系统设计方法.应用远程无线通信技术、互联网技术、无线局域网技术、电能测量技术和家电遥控启停技术，实现家庭用电系统与电力管理信息的实时通信、按需用电、交互设置、远程控制功能。
关键词：智能电网 无线通信 远程控制 电能测量
中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）12-0020-03
1、引言
从2009年开始，国家电网公司提出了智能电网的发展计划，其内涵是以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，实现电力系统从发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节的智能感知、智能识别、智能控制的功能，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合。智能电网可以整合系统中的数据，优化电网的管理，将电网提升为互动运转的全新模式，提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率。
在智能电网建设中，家庭用电系统的智能化改造是其重要环节[1，2]。智能用电拥有最多的受众群体，也是其服务质量及管理效益的集中体现。2011年国家科技部开展了国家高技术研究发展计划（863计划）智能电网重大专项的研究，其中涉及智能用电方面的研究占有相当大比例。我国的智能用电重点关注双向互动服务、用电信息采集、智能用能服务、电动汽车充放电、智能量测五个关键技术领域[3]，用电端的智能化改造正是智能电网建设的重要内容之一。中国家用电器研究院在智能用电控制器、家庭能源管理系统、电力载波通讯模块、绿色家电标准几个方面开展了长期专项研究，并与深圳市国电科技通信有限公司、北京达华世纪低碳研究院及瑞萨电子有限公司共同成立了北京智能用电研究中心，开展了智能用电领域技术与产品研究，推动了智能电网与智能家庭的融合，不断适应物联网的发展要求，为我国智能用电的大力普及打下了良好基础。
然而，就目前而言，我国电力系统在家庭用电环节仍以传统用电方法为主，只是在量测技术[4，5]和远程抄表[6-8]方面有初步应用，缺少具有实用性的家庭用电智能控制和双向通信的产品面世，阻碍了智能电网向用电领域的延伸进程。对家庭用电环节的智能化改造，需要充分考虑目前用电设备的实际情况及发展趋势，开发既满足发展需求又符合应用现状的实用性设备，降低成本，减少家庭的重复投资，为智能用电的广泛实施提供助力。
为此，本文提出了一种面向智能用电的通信与控制系统，综合应用远程无线通信技术，互联网技术，无线局域网技术，电能量测技术，智能控制技术构建智能电网用户端集控系统。由3G远程通信模块与互联网连接，接收电力管理部门的实时电价、停电通知等管理信息，接收小区物业管理信息，接收远程用户通过移动终端（手机）发送的查询与控制信息；由WIFI无线局域网传输模块控制智能插座和家电启停，实现电能测量、质量分析和安全保护；由Web页面完成用户交互与参数设置；接收家庭智能电表的用电信息实现远程抄表功能，从而实现智能电网在家庭用电端的负载均衡、削峰填谷、智能控制、用电管理功能。
2、系统结构与硬件设计
系统结构包括通信与控制核心电路板、家庭智能插座、家电遥控器控制模块。利用3G远程通信模块与Internet连接，实现与远程服务中心和用户移动终端的连接，并通过WIFI无线通信模块与智能插座和遥控器控制模块构成家庭无线局域网络，实现远程信息交互、抄表、请求响应和家电设备的智能控制。
2.1 核心电路板
核心电路板是整个系统的通信与控制中心，见图1。采用C8051F020单片机为核心控制芯片，通过对其串行口的扩展连接设备，其中串口1连接华为MU203 3G通信模块，串口0通过缓冲器连接03型UART-WIFI无线通信模块以及家用智能电表。通过单片机的GPIO口扩展64k FLASH存储器，用于存放Web页面框架、用户设定的用电参数、历史用电信息及电力部门的管理信息。电路板的供电通过电源模块从外部电源插座接收5V直流电源，经过内部DC-DC变换生成4V与3.3V直流电压，分别为3G模块及单片机系统提供电源。
核心电路板以C8051F020单片机为控制核心，完成通信、控制及用户交互功能。电路板的组成模块如下：
（1）远程通信模块。该模块对单片机的串口1进行扩展，通过插座连接3G传输模块，在单片机控制下建立网络连接，获取公网IP地址。远程通信模块具有以下两项功能：
第一、采用定时驱动方式，作为客户终端向远程服务器发送请求，以IP地址方式建立网络连接，分别获取电力管理部门的实时电价、停电通知或小区物业管理部门的管理信息，用于用户交互并参与家庭用电的智能控制，并根据请求向电力管理部门发送累计用电量与实时功率等信息。
第二、通信模块可接受远程PC或移动终端（手机）的远程访问，结合存储器中设计的HTML页面构成Web服务器。HTML页面是一个用户交互界面，一方面可以向用户展示电力部门和小区物业的管理信息，另一方面可以汇报各用电设备的使用状况、功率、用电量及金额累计，还可以接收用户的参数设置及对设备的启停控制。
（2）WIFI模块。WIFI模块通过缓冲器接口与单片机串口0连接，以Adhoc方式组成无线局域网实现家庭内部的数据传输。WIFI模块由单片机编程控制，在定时器控制下与家庭的智能插座、家用电器启停控制的WIFI终端建立连接，发送查询与控制命令，获取用电信息，还可以与在信号覆盖范围内的移动终端（手机）建立通信连接，通过前述的HTML页面实现用户交互。
（3）存储模块由FLASH存储芯片组成，与单片机的GPIO口连接形成扩展存储器，通过单片机程序进行读写，用于系统数据的存储。存储内容包括HTML页面框架、用户设定参数、历史用电信息、电力管理信息。
（4）时钟模块，由22MHz的有源晶振承担，提供22MHz的时钟脉冲信号作为单片机的工作时钟。
（5）电源模块，从外部电源插座接收5V直流电源，经过内部DC-DC变换生成4V与3.3V直流电压，分别为3G模块及单片机系统提供电源。
（6）智能电表接口，对单片机串口0进行扩展，通过RS232-485转换接口与具有RS485总线接口标准的家用智能电表连接，接收电表的电量、功率等监测信息，用于家用电器的总能耗分析，用电计划制定，并通过远程通信模块上传到电力管理中心实现远程抄表。
（7）微控制器（MCU），由C8051F020单片机承担，编写程序完成系统的初始化以及上述各模块的控制及功能实现，包括远程连接请求与信息传输、远程请求侦听与信息获取、智能电表信息采集与家用电器用电方案制定与控制。单片机的内部RAM用于各功能模块的信息交换，包括设备运行状况、实时电价、瞬时功率等临时信息
2.2 家庭智能插座
该模块是一个向家用电器供电的电源插座，见图2。以C8051F020单片机为控制核心，通过WIFI接口与核心电路板通信，可以接收控制命令控制继电器通断，还可以对瞬时用电功率进行计量，上传核心电路板进行用电协调，并分析家电工作状态，实施临时断电，保护用电设备。由核心电路板通过WIFI模块以Adhoc组网方式，接收控制命令实现电源通断控制，并由计量模块获得瞬时功率等信息判断用电设备的运行状况，实现保护控制，并将信息传输到核心电路板存储，作为用电方案的制定依据。
该模块包括以下主要部件：（1）单片机，由C8051F020承担，通过串口实现对WIFI模块的控制实现无线局域网的组网，采用ADC接口实现计量模块的信息采集，通过GPIO口控制继电器，实现插座的电源通断控制。（2）WIFI模块，通过串口与单片机连接，接收控制命令实现网络连接，完成信息传输。（3）计量模块，完成对本插座的电压电流取样与滤波，去除干扰，并传输到单片机采集并完成功率计算。
2.3 家电遥控器控制模块
该模块是一个对家用遥控器的改装部件，见图3。其目的是解决目前许多家用电器在上电后还需要使用遥控器控制具体运行的问题。仍以C8051F020单片机为控制核心，通过WIFI接口与核心电路板通信，用于接收核心电路板的控制命令控制家用电器的启停。将原始遥控器的按键引脚用排线引出，连接到多路电子开关。单片机通过GPIO接口控制多路电子开关，模拟人为按键，从而实现对家电运行的远程控制。
家用电器智能遥控系统，通过WIFI模块接收核心电路板发送的控制命令，驱动多路电子开关控制家电遥控器，实现对家用电器的启停控制和运行状况设置。该模块的组成部件包括：
（1）单片机，由C8051F020承担，通过串口实现对WIFI模块的控制实现无线局域网的组网，通过GPIO口连接多路电子开关，根据控制命令控制遥控器，模拟按键操作。（2）WIFI模块，通过串口与单片机连接，接收控制命令实现网络连接，完成信息传输。（3）多路电子开关，输入端与单片机GPIO口连接，接收单片机发出的控制信息，输出端连接家电遥控器的键盘引脚，通过对输入信息的译码实现按键的通断，模拟手工遥控操作，实现对家用电器的运行控制
3、软件设计
系统所含的三个模块都使用了C8051F020单片机，都需要软件支撑，但其核心是核心电路版的软件系统，见图4。该软件系统负责完成整个系统的自检与初始化；通过串行口1发送3G模块的AT命令集，完成网络注册并获取IP地址；通过串口0发送WIFI模块的AT命令集，建立与智能插座和遥控终端的无线连接；完成存储器规划，建立公共存储区作为信息交换池用于所有任务之间的信息交换；设置Web服务器并建立HTML页面，与IP地址关联供远程访问；启动定时器工作，采用定时中断信号作为依据实现多任务的时间分配和协调运行。
单片机软件主要包括以下四项任务：（1）依据IP地址向远程电力控制中心或小区物业管理部门建立连接，发送用电量等相关信息并接收实时电价等广播信息，放入信息交换池。具体的通信协议以电力部门或物业管理部门颁布的信息通信方式为标准制订。（2）Web服务程序侦听远程连接，在通过密码认证后，从信息交换池提取实时信息更新HTML页面并发送。远程用户可查询家庭用电状况，并填写页面参数实施远程控制。处理程序获取回传的控制参数放入信息交换池，作为对家电的控制依据。（3）智能电表读取，通过单片机串行口0读取家用智能电表的监测信息，依据其数据手册提取用电量、总功率等用电参数放入信息交换池，供分析和传输使用。（4）智能插座与家电控制任务首先从信息交换池获取信息，根据电价信息、远程请求和家电的运行状况制定家电的使用策略，通过串行口0建立的WIFI连接发送控制命令实现家电的遥控操作和插座的电源通断，读回智能插座传送的用电参数，存入信息交换池供其它任务使用。
4、结语
提出了一种面向智能用电的通信与控制系统，与其它同类系统相比，采用了3G通信技术实现远程传输，采用基于单片机的Web服务器技术实现用户信息交互，采用基于Adhoc架构的无线局域网技术实现控制系统与智能插座和家电遥控设备的信息交换，具有先进性和实用性并易于扩展。
参考文献
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