基于wifi的家庭用電管理系統(tǒng)

1、<p>　　基于WIFI的家庭用電管理系統(tǒng)</p><p>　　[摘 要]本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種由WIFI為主要通信方式的家庭用電管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由眾多具有WIFI通信功能的用電檢測(cè)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)而成，并能夠通過(guò)路由器連接至外網(wǎng)，位于智能手機(jī)端的配套APP可通過(guò)外網(wǎng)或者直接連接至系統(tǒng)進(jìn)行通信。該系統(tǒng)安裝、拓展方便，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)家庭的用電狀況，紀(jì)錄歷史用電數(shù)據(jù)，用戶(hù)還可通過(guò)智能手機(jī)端APP遠(yuǎn)程控制電器用電，并能設(shè)

2、置計(jì)劃任務(wù)定時(shí)管理用戶(hù)電器。系統(tǒng)在很大程度上方便了用戶(hù)對(duì)家庭用電的掌握。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]家庭用電管理；WIFI；ESP8266；遠(yuǎn)程控制；STM32 </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）02-0255-01 </p><p><b>　　一、引言 </b><

3、/p><p>　　隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，智能家居的概念已經(jīng)逐漸進(jìn)入我們的日常生活和工作中，并為我們的辦公、生活提供了不少的便利。智能家居是在互聯(lián)網(wǎng)影響之下物聯(lián)化的體現(xiàn)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備連接到一起，提供家電控制、照明控制、電話遠(yuǎn)程控制、室內(nèi)外遙控、防盜報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)以及可編程定時(shí)控制等多種功能和手段 。其中，對(duì)于家庭用電設(shè)備的智能管理，是實(shí)現(xiàn)智能家居的一個(gè)重要方面。 </p>

4、;<p><b>　　二、整體方案設(shè)計(jì) </b></p><p>　　家庭用電管理系統(tǒng)是由具有WIFI無(wú)線通信功能的用電檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由器以及遠(yuǎn)程交互終端組成。整個(gè)系統(tǒng)的最小單位是分布在家庭各個(gè)用電單元的用電檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)檢測(cè)用電器電流及電壓進(jìn)行分析計(jì)算并存儲(chǔ)，各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)WIFI與路由器進(jìn)行通信并將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程交互終端進(jìn)行匯總處理。考慮到檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的布置范圍、布置數(shù)

5、量、WIFI通信的距離限制、無(wú)線路由器的承載能力以及通信的可靠性，選擇合適的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。本系統(tǒng)采用一種自由組合的方式，即每個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)都支持三種模式：AP、STA以及AP+STA共存模式。AP模式：即無(wú)線接入點(diǎn)，是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。STA模式：即站點(diǎn)，每一個(gè)連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的終端（如筆記本電腦、PDA及其它可以聯(lián)網(wǎng)的用戶(hù)設(shè)備）都可稱(chēng)為一個(gè)站點(diǎn)。AP+STA模式：即同時(shí)支持上述兩種模式，即可作為AP模式供其它

6、設(shè)備連接，同時(shí)也可作為站點(diǎn)接入其他網(wǎng)絡(luò)中。每個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)可也設(shè)置為上述三種模式中的一種，當(dāng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多或者部分節(jié)點(diǎn)距離路由器較遠(yuǎn)以致信號(hào)不佳，可以通過(guò)將其中部分節(jié)點(diǎn)設(shè)置為AP+STA共存模式作為一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)可以以STA模式接入該</p><p>　　1. 用電檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) </p><p>　　用電檢測(cè)節(jié)點(diǎn)按需布置在家庭的各個(gè)用電處，其任務(wù)主要是完成電能的計(jì)量采集，

7、數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過(guò)無(wú)線與遠(yuǎn)程交互終端進(jìn)行通信，同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)按照遠(yuǎn)程交互終端的指令或者計(jì)劃任務(wù)對(duì)電源實(shí)施通斷。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由CPU系統(tǒng)控制單元、電能參數(shù)測(cè)量單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、無(wú)線通信單元、電源開(kāi)關(guān)單元等幾個(gè)部分組成。 </p><p>　　a） 2.CPU控制單元 </p><p>　　節(jié)點(diǎn)CPU控制單元采用ST公司的STM32L151C6系列超低功耗32位單片機(jī)作為系統(tǒng)主控，該

8、單片機(jī)采用QFN48封裝面積僅有7X7mm，最大運(yùn)行頻率32MHz，具有32KBROM、10KBRAM，同時(shí)片內(nèi)還集成4KB的EEPROM存儲(chǔ)單元，可用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。并且該單片機(jī)外設(shè)資源豐富，具有6路16位定時(shí)器、2路SPI、2路IIC、3路串口等。而且該單片機(jī)正常工作模式下每MHz僅需117ua的電流，在低功耗模式下整機(jī)僅需0.3ua電流，功耗極低，完全滿足工作系統(tǒng)要求。 </p><p>　　b） 電能參數(shù)測(cè)量

9、單元 </p><p>　　電能測(cè)量單元采用專(zhuān)用的功率芯片CS5460A，該芯片精度較高且外圍電路簡(jiǎn)單使用方便。CPU控制單元通過(guò)SPI接口與該芯片連接。為了盡量縮小體積，該單元不采用體積較大的電流互感器與電壓互感器進(jìn)行電流與電壓采集。而是采用體積較小的分壓電阻與分流器進(jìn)行電參數(shù)采集，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將采集信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)輸入CS5460A中，芯片內(nèi)部自動(dòng)計(jì)算出瞬時(shí)電流、瞬時(shí)電壓、電流有效值、電壓有效值、功

10、率等各種參數(shù)并存入寄存器中，單片機(jī)定時(shí)通過(guò)串行接口從芯片中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算并存儲(chǔ)。電能參數(shù)測(cè)量單元電路如圖2所示。 </p><p>　　c） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元 </p><p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用STM32L151C6系列單片機(jī)內(nèi)置的4KB EEPROM存儲(chǔ)單元以減小體積，縮減成本。 </p><p>　　d） 無(wú)線通信單元 </p><p>

11、;　　無(wú)線通信單元采用ESP8266串口WIFI模塊。CPU控制單元通過(guò)USART接口與該模塊連接。該模塊采用串口AT指令進(jìn)行控制，支持AP、STA、AP+STA共存模式。模塊封裝尺寸小，大小僅有17mmX12mm，能夠方便的嵌入系統(tǒng)當(dāng)中。 </p><p>　　e） 電源開(kāi)關(guān)單元 </p><p>　　電源開(kāi)關(guān)單元采用體積較小的雙向可控硅。這里采用BTA10-600B三端雙向可控硅，采用

12、TO-220封裝。該可控硅耐壓600V，通態(tài)方均電流（RMS）為10A，滿足一般家庭電器的用電要求。為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離，采用MOC3063光耦驅(qū)動(dòng)可控硅。CPU控制單元的PB0與MOC3063的引腳1連接，當(dāng)PB0為高電平時(shí)光耦導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)可控硅導(dǎo)通，當(dāng)PB0為低電平時(shí)光耦截止，可控硅截止斷開(kāi)。 </p><p>　　f） 遠(yuǎn)程交互終端設(shè)計(jì) </p><p>　　目前智能手機(jī)已經(jīng)相當(dāng)普及，遠(yuǎn)程

13、交互終端是以智能手機(jī)為載體開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用APP，通過(guò)智能手機(jī)強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)能力與系統(tǒng)進(jìn)行通信。該APP實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取、歷史數(shù)據(jù)讀取、電源開(kāi)關(guān)、計(jì)劃任務(wù)等功能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取功能能夠顯示電器當(dāng)前實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)。歷史紀(jì)錄功能能夠以圖表的形式顯示電器歷史用電數(shù)據(jù)，為用戶(hù)合理用電提供依據(jù)。電源開(kāi)關(guān)功能能夠控制指定節(jié)點(diǎn)的電源開(kāi)關(guān)。計(jì)劃任務(wù)功能能夠讓用戶(hù)設(shè)置節(jié)點(diǎn)定時(shí)開(kāi)關(guān)電源或者設(shè)置節(jié)點(diǎn)用電量超過(guò)設(shè)定值時(shí)自動(dòng)斷電。 </p><p>

14、<b>　　三、 總結(jié) </b></p><p>　　本文給出了一種采用WIFI通信的家庭用電管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示用戶(hù)的用電信息，并提供歷史信息查詢(xún)功能，同時(shí)還可遠(yuǎn)程控制用戶(hù)電器，還提供了計(jì)劃任務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)定時(shí)啟用或關(guān)閉電器電源。本系統(tǒng)采用WIFI通信，系統(tǒng)布置方便，可拓展性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性強(qiáng)。并且本系統(tǒng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)所有元件均采用超小封裝，實(shí)現(xiàn)體積小型化，可方便的嵌入當(dāng)前家庭的電源設(shè)備中

15、。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 董宇，楊強(qiáng)，顏文俊.基于nRF905和GPRS的智能家居用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012（9）：78-81 </p><p>　　[2] 彭桂力，潘雷，王秀麗，李維.基于CS5460芯片的智能家居用電監(jiān)控裝置[J].微型電腦應(yīng)用，2014（10）：45-