曹敏++暴海峰++魏龄++杨映春++李祥++赵旭

摘 要随着电动汽车、太阳能屋、物联网技术推行与普及，居民作为能源消费者的同时还能充当能源生产者，如何将家庭用电与电网能源调拨进行互通将是智能电网建设必经之路。设计一套基于LiteOS的家庭智慧能源管理系统，除家用电器之外，还能与能源机器、住宅设备仪器、电动汽车、家庭网关、双向电表相连接，实现家庭能源管理与电网能源调度雙向互动。设计方案以STM32F439为硬件平台，以LiteOS为软件平台，采用4G或Wi-Fi实现系统远程通信链路，蓝牙点对点连接实现系统本地通信链路，将ZigBee/433/315/红外和RS485分级划分通信网络，实现系统的内部通信，对家庭基于统一协议的采集控制，构建家庭智慧能源管理系统。

【关键词】LiteOS STM32F439 智能电网 能源调度 ZigBee/433/315/红外

1 引言

家庭能源管理市场是一个有待挖掘的金矿。从电网侧来看，居民能源消耗是能源消费的重要组成部分，并随着生活水平的提升大幅增加，比重越来越大，随着新能源技术发展，居民也将成为能源生产者，如何管理家庭能源调度，也将成为下一步建设方向，智能化管理家庭能源消费有很好的经济和社会效益；从家庭来看，能源消费是社会的重要部分，家用电器越来越复杂，每月耗电量越来越大，管理能源使用情况逐渐成为大多数家庭共同的问题。所以非常有必要设计和实现一种智能化、人性化的现代化家庭智慧能源管理系统。

家庭智慧能源管理系统可以定义为是采用物联网技术、嵌入式技术将各种家用设备有机地通过网络连接起来组成一个整体。目前，通过现有的物联网操作系统我们可以发现，华为的LiteOS提供蓝牙、ZigBee、Wi-Fi、以太网等常用物联网协议集成接口，可以更好实现家庭智慧能源管理系统建设工作。

2 总体设计方案

2.1 总体结构设计

家庭智慧能源管理系统将对住宅内设备仪器、家用电器、电动汽车、能源设备、负荷开关等进行管理，能源管理终端作为家庭智慧能源管理系统的心脏，负责家庭能源设备管理、能源设备状态上送、双向电表电量监测和控制策略下发等，如图1所示。

根据功能特点，系统有三部分组成：以STM32F429微处理器、物联网模块组成的家庭智慧能源管理终端；基于ZigBee通信的能源管理分子终端；用于家庭能源和策略管理的监控平台。

（1）数据采集单元将家庭内部的各项检测数据传送给STM32F429微控制器，由微控制器完成对现场数据的采集、存储和处理、参数的设定和自动调节。

（2）能源管理的分子终端通过ZigBee将能源设备的监测数据传送至能源管理终端，同时接收能源管理终端的控制命令来实施相应控制策略。例如电动汽车交流充电盒作为电动汽车交流充电引导装置，在用电低谷时候可引导车进行充电，同时监测充电电流、功率等参数。

（3）监控平台实现对现场数据的实时监控，同时也负责手机APP与能源管理终端信息交互。

系统整体结构如图2所示，能源管理终端作为室内能源管理的核心，各能源设备通过ZigBee与能源管理终端进行连接。其中，对于家庭常规的能源设备，我们可通过万能遥控器（可将ZigBee信号进行解包转成433/315、红外）对遥控器进行学习后融入系统进行控制。对家庭充电桩，可通过ZigBee监控网关，将充电桩与能源管理终端间进行连接，家庭交流充电桩大多只有充电引导和计量作用，可以轻松实现充电桩充电控制。针对家庭太阳能系统，我们只需关心当前储能情况和发电量，而大部分太阳能通信系统都是基于IEC61850，可通过ZigBee监控网关，将我们需要信息提出后与能源管理终端进行交互。

2.2 内网组建方式

家庭智慧能源管理系统的网络分为内部网络和外部网络。外部网络指的是家庭网络与互联网的连接；家庭内网是指家庭电器设备与家庭网关组建的网络。目前，物联网的通信分有线和无线两种模式，主流的有Ethernet、 Wi-Fi、RFID、NFC（近距离无线通信）、Zigbee、6LoWPAN（IPV6低速无线版本）、Bluetooth、GSM、GPRS、GPS、3G、4G等。智能家居网络内部网络的组建方式一般有无线和有线两种。由于考虑到现代家庭的家用电器比较多，并且要保证能够灵活移动各种家用电器，采用无线组建的家庭网络是最好的选择。

本设计中，家庭智慧能源管理系统的内网组建采用距离近、复杂度低、功耗低的ZigBee技术来实现。ZigBee技术是一种双向无线通讯技术，它与电子设备之间是周期性、间歇性、低反应时间的数据传输方式，符合智能家居内部通信的要求。

为了和目前大多数家用电器兼容，我们引入了ZigBee转射频（433/315）、红外万能遥控器，可将已有家电的遥控器进行学习后通过手机进行控制。

2.3 系统通信协议

通信协议主要分为两部分：家庭内网通信协议和远程监控系统的通信协议。

在当前的互联网通信协议中，HTTP协议由于开发成本低，开放程度高，几乎占据大半江山，所以很多厂商在构建物联网系统时也基于http协议进行开发。

HTTP协议是典型的CS通讯模式，由客户端主动发起连接，向服务器请求XML或JSON数据。该协议最早是为了适用web浏览器的上网浏览场景和设计的，目前在PC、手机、pad等终端上都应用广泛，但并不适用于物联网场景。在物联网场景中其有三大弊端：

（1）由于必须由设备主动向服务器发送数据，难以主动向设备推送数据。对于单单的数据采集等场景还勉强适用，但是对于频繁的操控场景，只能推过设备定期主动拉取的的方式，实现成本和实时性都大打折扣。

（2）安全性不高。web的不安全都是妇孺皆知，HTTP是明文协议，在很多要求高安全性的物联网场景，如果不做很多安全准备工作（如采用https等），后果不堪设想。

（3）不同于用户交互终端如pc、手机，物联网场景中的设备多样化，对于运算和存储资源都十分受限的设备，http协议实现、XML/JSON数据格式的解析，都是不可能的任务。

针对上述问题，我们对MQTT、DDS、AMQP、XMPP、JMS、REST、CoAP等物联网协议进行研究，发现MQTT协议的兼容性相比較强，因此本系统远程监控系统的通信协议选用MQTT。

而本地通信协议，我们采用类FT1.2可变帧长帧格式和FT1.2固定帧长帧格式进行报文传输，其说明如表1、表2所示。

其中，控制域（C）如表3所示。

3 系统的硬件设计

3.1 主控模块

采用STM32F439作为主控模块MCU，自带1024KBFLASH，256KB的SRAM。外扩32M字节W9825G6KH作为SDRAM，外扩 512M字节MT29F4G08作为NANDFLASH，外扩32M字节W25Q256作为SPIFLASH，外扩256字节。其中STM32F439是意法半导体STM32的高端产品，采用最新的180MHz的ARM Cortex-M4处理器内核，具备8路UART接口。

3.2 4G远程通信模块

本系统以STM32F439微处理器为主控模块，将STM32F439与4G模块通过串口连接后进行远程数据通信，将家庭内部数据发送给远程监控端。用户可以通过远程监控的方式对家庭内部的家电设备进行控制，例如对窗帘控制，对空调温度、湿度的设置等。系统采用有人物联网的全网通USR-LTE-7S4 4GDTU模块，该模块具有内嵌TCP/IP协议、HTTPClient协议、低功耗、尺寸小、便于集成等优点。将STM32F439的UART2与USR-LTE-7S4串口进行交叉连接后，STM32F439发送AT命令对4G DTU进行操作，如图3所示。

3.3 Wi-Fi通信模块

目前市面Wi-Fi模块层出不穷，在选择Wi-Fi模块时，考虑到本系统STM32F439串口充足，不存在接口紧缺问题，我们从Wi-Fi连接配置要尽可能方便、快捷、有效入手。选择了安可信科技开发的ESP8266，该核心处理器在较小尺寸封装中集成了业界领先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU，带有 16 位精简模式，主频支持 80 MHz 和 160 MHz，支持 RTOS，集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA。同时，该芯片支持SmartConfig一键配置技术，极大减少了Wi-Fi连接配置负担。

3.4 蓝牙通信模块

目前蓝牙版本有2.0和4.0，Android手机对蓝牙2.0和4.0都支持，当苹果手机只支持蓝牙4.0，因此我们选择TI公司的CC2541蓝牙4.0芯片。

CC2541是一款针对Bluetooth低能耗以及私有2.4-GHz应用的功率优化的真正片载系统（SoC）解决方案。它使得使用低总体物料清单成本建立强健网络节点成为可能。CC2541将领先RF收发器的出色性能和一个业界标准的增强型8051MCU、系统内可编程闪存存储器、8-KBRAM和很多其它功能强大的特性和外设组合在一起。CC2541非常适合应用于需要超低能耗的系统。这由多种不同的运行模式指定。运行模式间较短的转换时间进一步使低能耗变为可能。

本系统为蓝牙CC2541开发两个GATT服务，一个用于数据的透传，一个用于蓝牙模块的配置。

3.5 ZigBee通信模块

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中的设备可分为协调器（Coordinator）、汇聚节点（Router）、传感器节点（EndDevice）等三种角色。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

本系统选择TI的CC2530 ZigBee芯片，C253x设备系列使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。它有三个不同的存储器访问总线（SFR、DATA和CODE/XDATA），以单周期访问SFR、DATA和主SRAM。ADC支持7到12位的分辨率，提供两个USART接口。这在各能源分子终端中，能满足基本继电控制和传感数据采集的需求。

4 系统的软件设计

4.1 嵌入式平台搭建

嵌入式操作系统选用源代码开发的华为LiteOS实时操作系统。官方提供的华为LiteOS的操作系统自带了STM32F429工程，工程可通过MDK进行继续开发。嵌入式实时操作系统的核心在于心跳时钟设定，因STM32F429与STM32F439定时器寄存器相同，所以STM32F429的工程可用于STM32F439进行开发。

4.2 驱动程序设计

在嵌入式系统中，设备驱动程序的作用是使硬件系统与软件系统相互通信。ST公司为STM32F439提供了芯片估计，因此驱动程序的开发主要是通过微处理器的UART、SPI、SDIO等接口发送命令或接收数据。

本系统中，我们为4G、蓝牙、Wi-Fi、ZigBee模块建立基于设备的初始化、释放、读、写、状态检查和处理硬件设备出现的错误等应用接口函数。

4.3 消息路由算法设计

能源管理终端的核心在于将监控平台下发的指令路由到各分子终端，获取分子终端封包后统一上传。

本系统中，我们分别建立静态的地址和命令转换表，当携带有设备和命令标识的 MQTT指令到达后，我们通过查找表获得分子终端地址和命令，进行报文重组，通过ZigBee模块向下发送。

5 结束语

本系统能够利用天气信息与传感器找到多余的能耗源，并通过对家用电器的控制达到节约能耗的目的。另外，在家用能源机器的使用上，当太阳能光板的发电量出现剩余时，系统可以指示蓄电池开始储能、热泵热水器烧热水，或者指示电动汽车充电桩开始充电工作，从而实现对电力的有效利用。

家庭智慧能源管理系统采用“可视化”设计，能够及时掌握家庭的用电情况，除了能让用户通过家里的电视或监视器简单地了解自家的用电信息之外，还能通过手机APP对能源消耗进行统一管理，根据用户的行为习惯和天气信息向用户提出高效用电的可行性建议。

参考文献

[1]顾理军.ZigBee技术在智能家居网络中的应用研究[J].重庆电子工程职业学院学报，2011（03）.

[2]徐景.智能家居无线嵌入式网关硬件平台的设计与实现[D].华中科技大学，2008.

[3]彭洪明.智能家居的体系结构及关键技术研究[D].北京交通大学，2012.

[4]严萍，张兴敢，柏业超，杜仲林.基于物聯网技术的智能家居系统[J].南京大学学报（自然科学版），2012（01）.

[5]邓钊波，梁明，马芳.基于Zigbee智能抄表技术与运用[J].日用电器，2012（10）.

[6]贺安坤，张亮，宋长青，薛进.基于ZigBee技术的智能家居系统的设计与实现[J].微计算机信息，2012（09）.

[7]周芳媛.基于Zigbee技术的智能家居系统设计[D].大连理工大学，2013.

[8]祝章伟.基于ZigBee网络的智能家居网关及终端节点设计与实现[D].吉林大学，2013.

[9]肖骁.信息家电与家庭网络结构的研究及实现[D].湖南师范大学，2008.

[10]Tompros S，Mouratidis N，Draaijer M，et al.Enabling application of energy saving applications on the appliances of the home environment. IEEE Network，2009.

作者单位

1.云南电网有限责任公司电力科学研究院 云南省昆明市 650217

2.云南电网有限责任公司 云南省昆明市 650217

3.昆明能讯科技有限责任公 云南省昆明市 650217

4.中国南方电网电能计量重点实验室 云南省昆明市 650217