刘迎澍，史成豪

（天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072）

基于实时电能采集的家庭用电管理系统

刘迎澍，史成豪

（天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072）

为了更加方便、高效的实现对智能家居中用电设备的实时监测和控制，设计了一种基于实时电能采集的家庭用电管理系统。该系统采用STM32嵌入式系统作为主控制器，包括GSM、电能采集、无线通信和信息存储等模块，可实现对用电负荷的电能信息的实时采集、存储、处理和短信报警等功能。同时，用户还可以根据自己的需要，利用GSM网络，通过手机短信的方式，实现对家用电器的实时智能化管理和远程控制。实验结果表明，本系统通信可靠，运行稳定，满足智能家居的需要。

智能家居；实时监测；GSM；远程控制

由于在能源利用、环境效益和供电灵活性等方面的优势，分布式发电得到越来越高的重视，并逐渐被推广应用到家庭用户中，智能化的家庭用电系统也成为智能电网中的一个重要的积极参与者[1]。但大量的分布式电源和储能设备的使用，使得智能家居中的用电负荷监测和需求侧管理面临新的挑战[2-3]。同时，现有的家庭安全防护设备只能对家庭用电进行整体计量和整体线路保护，缺少智能化的断电保护管理功能且无数据存储功能，难以满足智能家居系统对用电安全高效、智能控制、精细化管理的要求[4-8]。

针对分布式电源和储能设备的接入以及现有家庭安全防护设备对家居生活的智能化带来的问题，利用成熟可靠的GSM通信技术[9-10]，选用STM嵌入式系统为主控制器设计了一种基于实时电能采集的家庭用电管理系统。它能够实时监测家庭中用电设备的各项电能参数，并可设定各用电设备的保护功率，当用电设备超出保护功率时将启动报警并自动切除该设备，用户还可以使用随身携带的手机实时了解家庭详细用电信息，并根据需要进行主动管理，如回家路上提前开启空调设备调节好室内温度等，实现了对家庭用电设备的智能化控制与管理。

1 总体设计方案

本系统由电能信息采集子系统和监控子系统构成，其整体结构如图1所示。其中电能信息采集子系统包括信息采集模块和无线通信模块，主要完成对家庭用电设备的电能参数的采集、上传，以及接收主控制器指令并驱动继电器动作，实现控制终端用电负荷工作状态的目的。

监控子系统包括手机终端，GSM模块和主控制器及其外围模块。监控子系统采用STM32为主控核心，负责协调控制各模块的工作；从家庭实际应用场景和灵活布局角度考虑，采用无线方式与各节点通信，完成对信息采集子系统上传信息的存储显示，并对数据做出分析和处理。当检测到用电设备出现异常用电情况，主控制器则驱动蜂鸣器报警并通过无线通信模块向采集子系统发送控制命令断开相应用电设备，同时通过GSM模块向用户手机发送警报信息，系统恢复正常后解除蜂鸣器警报状态。当GSM模块接收到用户短信命令，主控制器则对GSM模块收到的短信进行解析并做出相应处理，实现对家庭用电设备工作状态的实时查询和远程控制。当SIM卡中的短信数量达到50条后，主控制器发送清除短信命令以保证GSM模块和整个系统长时间稳定运行。

图1 系统整体结构图

2 硬件设计

2.1 STM主控制器及外围电路

经过对比，本系统选用意法半导体公司生产的STM32F103ZET6作为主控制器。它不仅有丰富的硬件资源，还有便于开发应用的固件库，适合于智能家居、电机驱动、工业控制等多种应用场合[11]。主控制器外围包括SD存储，LCD显示，无线通信等模块。为了配合其他模块的供电并考虑主控制器自身供电情况，利用AMS1117设计了一个电压转换电路，为系统提供所需的3.3 V工作电压。STM32外围模块如图2所示。

图2 STM32外围电路

存储模块：系统采用SD卡对采集模块上传的大量用电数据和系统运行过程中的各种状态量进行存储。主控制器移植了FATFS文件系统对用电数据分类细化管理，使用时只需调用应用层的接口函数就可完成对文件的读写等操作，并调取系统内部时钟模块，对每个用电设备设置编号建立一个TXT格式的文件，把获取的实时电能数据都完整保存记录下来，便于掌握家庭负荷用电规律和实现故障追忆的功能。主控制器采用SPI方式与其进行双向数据传输，最高通信速度可达24 MHz，满足系统存储和读取数据需要。

显示模块：主控制器外围扩展了一块TFTLCD显示屏，用于显示各用电设备的电能信息以及系统与用户通信控制状态。该模块采用16位的并方式直接与主控制器的FSMC接口相连，有效提高了数据更新速率和显示效果。显示模块的背光控制线接于主控制器PB0管脚，RST控制线和主控制器复位引脚相连，可与系统同时复位。模块的RS管脚用于区分传送的数据和命令，为1时表示读写数据，为0时表示读写命令。

无线通信模块：本系统选用LT8900实现无线通信，片上的发射接收FIFO寄存器可以和MCU进行通信，传输速度可以达到1Mbps，内置CRC和重传机制并支持跳频，可同时接收6个不同频率通道的数据包适合于1：6星形网络的6数据通道。

2.2 GSM通信模块

GSM模块是系统主控制器与用户手机进行信息交互的关键部分，本文选用SIM900A承担此任务，它具有自动串口波特率识别功能（识别范围：1 200～115 200），并支持RS232串口和LVTTL串口，方便与单片机连接使用。

GSM模块及外围电路如图3所示，本模块选择SP3232作为电平转换芯片，实现与主控制器直接相连的RS232串口电路，设计SMA天线接口用于连接外部天线，有效提高了模块的通信质量，并带有SIM卡外接电路，开关机按键和后备电池等模块。

图3 GSM及外围电路

2.3 信息采集模块

信息采集模块是整个系统工作的重要组成部分，承担着用电设备的电能测量和数据双向传输功能。针对家庭常用电器设备，电能参数采集工作选择由专用电能计量芯片RN8209来完成，芯片包括三路ADC，并有电压通道频率检测和电压通道过零检测，有功电能误差的动态范围小于0.1%，可以精确地采集电流、电压、频率、电能等多种交流电气参数[12-13]。

图4 RN8209外围电路

RN8209采集电路设计如图4所示，火线电流LA经互感器变换后由采样电阻进入V1通道，零线电流NA经分流电路后进入V2通道，线电压VIN_L经电阻分压电路进入电压采集通道，RN8209对信号进行采样并转换为数字信号,再经过相位校正计算出电能、电流、电压等数据。采集得到的数据由一片8位低功耗单片机UPD78F9224处理后经无线通信芯片来完成上传工作。

2.4 其他模块设计

开关驱动模块：开关驱动模块用于通过弱电控制家庭用电设备供电的通断，实现主动判断和控制的功能，本模块采用固态继电器。固态继电器由电能采集模块的单片机I/O引脚控制，当I/O输出为低电平时，继电器闭合，用电设备正常工作。当检测到数据异常时，I/O输出高电平，继电器断开，用电设备断电。

报警模块：主控制器载有一个电磁式有源蜂鸣器，由一个NPN三极管来驱动，因此主控制器的IO可直接控制其工作。由主控器的PB8管脚输出控制信号，当采集到的用电设备参数超过限定值时此管脚变为高电平，使蜂鸣器发出警报提示异常情况，对该设备处理或系统复位后恢复正常状态。

3 系统软件设计

3.1 通信方案

用户要实现短信控制用电设备，需要设置一个控制协议来规定短信指令的格式，以便主控制器获取短信后能够识别短信的含义[14]。GSM模块的短信息业务利用信令信道传输，把要发送的用电设备开关指令或控制结果信息加上目的地址发送到短信息服务中心，经短信服务中心完成存储后再发送给最终的信宿。SIM900A支持标准AT命令[15-20]，通过发送不同的AT指令，就可以实现对SIM900A的各种控制，相关AT命令及功能见表1。必须注意的是，用单片机实现时，它发送与接收到的响应都是UNICODE编码的字符串,因此主控制器解读中英文短信需要把GBK字库和UNICODE字库复制到SD卡根目录以便进行编码转换。

表1 AT指令简介

3.2 主程序设计

主程序的流程图如图5所示。系统上电之后，首先完成对STM32主控制器、无线芯片状态配置、SD卡、LCD和GSM等模块的初始化工作。然后，STM32主控单元调用各个子函数对各个模块进行循环查询和控制，并用LCD显示屏显示。通过无线通信模块获取采集模块得到家庭各个用电设备的实时电能信息，根据电能参数限定值判断用电设备是否工作异常，若出现异常，则主控器驱动蜂鸣器报警并且相应采集模块的IO引脚输出高电平控制继电器断开，同时发短信通知用户；若无异常，系统则正常轮询各个模块状态。用户可以根据自己的需要发送短信对家中用电设备进行控制，系统的GSM模块随时检测是否有新短信到来，若收到用户短信，主控单元将对该短信进行解读，然后发送控制命令到电能信息采集子系统，控制对应IO口输出高低电平，来驱动继电器完成所要求动作，操作完成后则返回短信通知用户。短信收发操作完成后，主控器记录当前短信数量，若达到上限值则GSM模块清除存储区确保系统继续稳定工作，最后更新LCD显示并继续轮询各模块工作状态。此外，对系统设置复位操作防止系统出现死机或其他不能正常工作现象。

图5 主程序流程图

4 实验测试

为了测试本系统的整体工作效果，我们将5个采集模块接入插座、重要线路等位置，然后接入空调、冰箱和洗衣机等家用设备，采集模块对用电设备完成电能信息的实时采集和上传工作以便后续存储、分析；通过手机终端发送短信指令控制用电设备的工作状态，发“NUM1_ON”，NUM1设备开启，用户手机收到短信“NUM1 开启成功”；发“NUM1_OFF”，NUM1设备断开，用户收到短信“NUM1断开成功”。其中空调工作过程中系统记录的实时电能参数曲线如图6所示，短信控制用电设备测试结果如表2所示，实验结果表明本系统通信可靠，各部分可协调稳定工作，控制效果良好。

图6 空调电能信息曲线

表2 短信控制用电设备实验结果

5 结 论

文中采用STM32为主控制器，设计了一种基于实时电能采集和GSM的家庭用电管理系统，解决了由于分布式能源和储能设备的接入以及需求侧管理给智能家居系统中的采集和管理带来的困难，实现了对智能家居中用电负荷的实时监测和远程控制。经实验测试，本系统简便可行，数据通信可靠、及时，为实现家庭用电的在线监测和智能控制提供了可靠低成本的解决方案，在智能家居和智能楼宇等领域具有广泛的应用价值。

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Home energy management system based on real time electric energy acquisition

LIU Ying-shu，SHI Cheng-hao
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

In order to realize the real time monitoring and control of the electric equipment in the smart homemore conveniently and efficiently，a kind ofhome energy managementsystem based on real time electric energy acquisition is designed.The system uses the STM32 embedded system as the main controller，including GSM，electric energy data acquisition，wireless communication and information storage and other modules，which can achieve the functionsof real-time data acquisition，storage，processing and text messages warning on electricity load power information.According to their own needs，the households can use the GSM network and send text messages to home appliances for achieving real-time intelligent management and remote controlthrough mobile phone.The experimental results show that the system is reliable in communications and stable in operation，meeting the requirements of the smart home.

smart home；real-time monitoring；GSM；remote control

TN92

：A

：1674－6236（2017）14-0156-06

2016-06-25稿件编号：201606195

刘迎澍（1971—），男，天津人，博士，副教授。研究方向：基于Web的信息与控制技术、嵌入式系统及应用、智能电网方面。