基于復費率電表的智能家居用電控制器的設計

　　引言

　　2009年5月，“智能電網”一詞正式進入大眾視野，國家電網公司正式布局“智能電網”。智能電網具有快自愈，快響應等特點。在我國，電力資源分配不均，電能浪費較大，電能利用率不高，因此越來越多的研究者致力于解決上述問題。除此之外，用戶的用電行為習慣也影響著電網的良好運行。本文結合用戶用電行為習慣和實時電價對電網用電的影響，設計了基于復費率電表的實/分時電價智能用電控制器來從用戶端平衡電能負荷。該控制器通過”錯峰用電”的方式來避免電高峰時電能不足，用電低谷時電能富于的狀況。尤其是在當用戶家中，具有大功率用電器可能同時應用時，以較小的電價來實現提前運行該大功率用電設備將極大地減小經濟和環境開銷，具有很強的經濟效益。

　　1.總體方案

　　復費率電表相較于機械電表具有電能計算精準，可靠性強，智能化程度高等特點，不僅支持遠程抄表、實時電價發布、電量報警、預付費等功能，還能方便地對用戶的用電信息進行統計和查詢等。家居智能用電控制器在家居系統中的位置如下圖1所示，該控制器在不改變家居用電布局的前提下接入家居網絡，通過復費率電表的通訊口(RS485)接入家居網絡并對電器設備用電情況進行控制，同時通過監測復費率電表的實時電價來產生對家庭用電設備的控制命令，以及實現相應的用電習慣的采集，為后期用電策略的制定提供依據。智能用電控制器的層次結構如圖1。

圖1智能用電控制器示意圖

　　智能用電控制器分主控制器和智能插座兩部分，主控制器的控制結構分為五部分，嵌入式數據庫、決策器、通信處理模塊、以及核心處理器、以及必備外圍部件。智能插座由網絡模塊，MCU，以及必備的硬件電路組成。主控制器從復費率RS485口接入實/分時電價，存儲在嵌入式數據庫中，建立電價與時段——峰、平、谷的對應關系，并通過已記錄的用戶用電行為信息來形成用電建議。主控制器兼具Zigbee和Wi-Fi兩種網絡通信方式，能適用于Zigbee家居網絡的用戶和普通家居網絡。

圖2 智能用電控制器架構

　　2.硬件設計

　　主控制器選用Samsung公司的S3C2440為處理器，搭配128M的存儲空間，精簡設計并預留部分擴展口，主控制器采用如圖3的原理框圖，在智能插座端，提供兩種網絡選擇，采用如圖4的結構電路。

　　主控制器采用12MHz的輸入晶振，最后輸出400MHz的時鐘頻率到核心控制器;采用通用5V電源供電方式，提供對各個應用接口和模塊的用電需求;控制器采用4.3寸TFT液晶顯示屏來顯示終端控制程序的運行狀態，具有良好的體驗界面，除此之外，還保留復位電路，支持一鍵復位功能;主控制器通過RS 485從復費率電表中采集實/分時電價信息并存儲在嵌入式數據庫中，并提供給決策器使用;主控制器在不影響家居現有網絡環境的情況下分別通過Zigbee，Wi-Fi網絡模塊加入本就具備Zigbee的家居網絡和普通Wi-Fi家居網絡來實現對智能插座的控制，從而實現對家用電器設備的實時控制。

　　智能插座除具備主控制同樣的網絡模塊外，微處理器采用STM32f103系列主控芯片，搭載適當的晶振電路，復位電路，以及調試接口，繼電器電路等。

　　3.軟件設計

　　3.1網絡通信的設計實現

　　本設計中采用Zigbee和Wi-Fi兩種網絡通信方式，Zigbee網絡主要是針對存在智能家居網關的環境，Wi-Fi通信方式主要針對不具有智能家居網關的家居環境。

　　Zigbee通信方式的設計

　　主控制器和智能插座采用Zigbee通信模塊作為控制網絡的接入，主采用FFD類型[5]，當主控制器通過Zigbee網絡通信模塊將控制命令法送給智能網關，網關收到控制命令后，據傳遞協議，解析該控制命令傳遞的對象，再通過網內短地址與控制協議的映射關系，將命令轉發給相應的節點設備，因此可以采用如表1的控制協議。

　　Wi –Fi通信方式的設計

　　設計中的所有Wi-Fi 模塊在加入網絡時，須從家居Wi-Fi網絡中獲得一個靜態IP地址，且所有家居網絡中的所有設備(包括網關、節點、智能用電控制器、以及用戶設備)地址不同。則智能用電控制器可以通過在家居網絡中控制每一個單個用電設備。

　　表1 智能用電控制器應用層統一管理協議UDCP報文格式

　　幀控制字：用以判定節點(包括主制器和智能插座以及網關)對該幀的處理方式。若接收該幀的設備的地址和數據包中的設備地址字段相符，則節點自動拆包，否則自動轉發該數據包，并自動填充十六進制數0x00。從始發節點(控制器或者節點)發出的所有數據報該字段將填充0x00。該字段默認0x11—拆包。

　　設備地址：指節點從家居網絡中獲得的實際網內地址(Wi-Fi網絡則取網絡地址后16bit)自動將該地址轉換成對應的十六進制數并填充至該字段。

　　網絡通信過程

　　通過主控制器終端程序實現網絡的選取、以及家居環境中所存在的不同種電器設備的配置來實現對整個家居網絡中用電設備的用電控制。網內智能用電控制器、網關、智能插座間的通信如圖5所示。

圖5 一次網內通信流程

　　收到上述管理幀的所有節點將該幀幀地址字段和自己的地址字段進行比較以判定該幀是否需要轉發，若是則節點自動在該幀的幀控制字字段中填充0x00,否則立即拆包并解析相應數據。數據包從主控制器與智能插座間的通訊過程構成整個通信流程，唯一不同的是，節點上傳用戶用電行為時，控制命令字段僅存在兩種情況，即用戶觸發家電用電和無觸發行為，分別用十六進制數0x10和0x20標識。

　　3.2決策器設計

　　嵌入式數據庫設計

　　主控制器具有手動和自主兩種運行模式，采用三層設計，包括電力接入通訊層、用電信息處理層和用電行為指導層。用電信息處理層主要完成對所采集的所有數據的處理，并提供決策器使用，從而產生用電行為指導建議。

　　智能家居用電控制器采用SQLite為嵌入式數據庫，將處理后的信息并存儲在嵌入式數據庫。主控制器采集峰、平、谷三時段的電價信息，并對各個時段的歷史電價信息進行分析統計，當電價逼近歷史統計值的期望值時，向相應的決策函數發出信號，因此數據庫可按照如下表2方式建立電價信息數據表.

　　表2 分/實時電價數據表

　　電力接入通訊層將所更新的電價信息按照上表插入到電價數據表的對應字段并統計歷史信息和記錄用戶用電行為;電信息處理層利用統計學方法計算各時段均值，利用已經得到的各時段均值和對應時段電價的比值來確定當前時段電價的可利用性并填充至如表3的數據庫表中，從而為決策函數提供判據。智能插座采集到的用戶用電行為習慣經處理后匯總在電行為指導層對應的數據表4中。

　　表3 電價歷史分析表

　　表4 用戶用電行為表

　　決策機制設計

　　主控制器有手動和自主兩種模式。手動模式下，無論當前電價處于高峰還是低估，家居環境中的所有家用電器設備不受主控制器的限制，但主控制器記錄用戶的用電行為，如“18時30分：開啟熱水器”;自主模式下，首先判定當前是否有用戶的手動控制家用電器，若有則主控制器轉入手動模式，若無用戶操作，則主控制器查詢是否有未調度的任務，若存在尚未調度的任務，則根據表三中的比值來判定當前電能的可用性，以是否允許該家電設備工作。否則，從手動模式下統計(統計時段長度默認為一周)到的用電行為習慣來預測用戶的行為習慣，并開啟自動提醒功能，提示用戶選取可執行的用電行為。其決策流程圖可表示為圖6。

圖6 智能用電控制器決策流程

　　4.結束語

　　本文針對復費率電表不同時段不同費率的特點，設計了基于該類表的智能用電控制器，并詳細設計了該智能用主控制器和智能插座的硬件結構，并依據實際需要設計了軟件控制流程和控制機制。

　　本設計立足于家居生活環境，從家庭用電的實際出發，利用峰、平、谷電價不同這一特點，采取“移峰填谷”的思想，錯峰用電的方式改變家居用電習慣，但考慮到用戶自身的用電習慣，將用戶的實際控制能力保持在第一位，控制器低級別運行，構建了該設計。智能用電控制器，實用性強，對于節省電能資源和優化能力調度以及普及低碳生活具有很強的現實意義。

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