劉 凱，戚銀城

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

基于能耗管理的智能家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 凱，戚銀城

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

針對(duì)目前傳統(tǒng)智能家居技術(shù)偏重于實(shí)現(xiàn)家居智能化與自動(dòng)化的現(xiàn)狀，提出一種穩(wěn)定可靠的智能家居策略，將家庭能耗管理與家居智能控制相結(jié)合。家庭內(nèi)部組網(wǎng)的核心設(shè)備是智能家庭網(wǎng)關(guān)，對(duì)底層具有能耗采集模塊的設(shè)備進(jìn)行控制。該網(wǎng)關(guān)采用ARM9系列LPC3240處理器和RF433 MHz無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)并自定義通信協(xié)議，軟件設(shè)計(jì)采用一套多任務(wù)、單進(jìn)程多線(xiàn)程的設(shè)計(jì)方案。采用黑盒測(cè)試的方法對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行測(cè)試，最終網(wǎng)關(guān)的穩(wěn)定性達(dá)到要求且能耗數(shù)據(jù)采集功能順利實(shí)現(xiàn)。

智能家居；家庭能耗管理；LPC3240；RF433 MHz通信協(xié)議；多任務(wù)單進(jìn)程多線(xiàn)程；黑盒測(cè)試

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展使得家居自動(dòng)化與智能化已逐漸成為現(xiàn)實(shí)，但是其在應(yīng)用上的推廣還不是十分成熟[1]。文獻(xiàn)[2]提出，由于人類(lèi)社會(huì)面臨的能源環(huán)境壓力越來(lái)越大和國(guó)家建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的進(jìn)程，傳統(tǒng)的智能家居已不是滿(mǎn)足社會(huì)和人們需求的最好方式，只有將傳統(tǒng)的智能家居與現(xiàn)代家庭能耗管理的理念相結(jié)合，才能緩解能源環(huán)境壓力并促進(jìn)智能家居的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。將能耗管理策略與智能家居技術(shù)有效集成，也是智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目中智能配用電領(lǐng)域中十分重要的環(huán)節(jié)。

文獻(xiàn)[3]提到家庭能耗管理的概念，認(rèn)為需要在用電側(cè)提高電力能源的使用效率，采取各種措施鼓勵(lì)用戶(hù)共同拉平電力負(fù)荷曲線(xiàn)，并提出在大功率家用電器上可以增加通信和智能模塊，對(duì)變化的電價(jià)做出響應(yīng)，最終不僅實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化，而且能夠加強(qiáng)家庭能耗管理。文獻(xiàn)[4-6]通過(guò)對(duì)不同地區(qū)和不同生活習(xí)慣的人進(jìn)行調(diào)研，提出行為節(jié)能是減少家庭能耗最有效的途徑。所以將家庭能耗管理融入到智能家居中，通過(guò)改變?nèi)藗兊纳罘绞絹?lái)改變用戶(hù)用電習(xí)慣，這樣具有非常重大的意義。

智能家居行業(yè)未能廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要原因就是國(guó)內(nèi)外一直未能有統(tǒng)一的智能家居行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。當(dāng)前采用技術(shù)主要有ZigBee和Z-Wave技術(shù)，然而ZigBee技術(shù)由于受功耗限制，穿透力較差，極易受家具或墻壁影響；而Z-Wave雖然能夠克服上面問(wèn)題，但非開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)，存在系統(tǒng)兼容性問(wèn)題[7]。本文提出采用433 MHz這一低頻段無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的解決方案，其室內(nèi)傳輸能力強(qiáng)，頻點(diǎn)較多能夠解決信道干擾問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)成本低且開(kāi)發(fā)難度小[8]。本文通過(guò)先進(jìn)的智能用電技術(shù)，構(gòu)建了全新的智能家居產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)和應(yīng)用層協(xié)議，支持多種通信方式和通信協(xié)議智能家居產(chǎn)品的統(tǒng)一接入、管理和控制，對(duì)消費(fèi)者接受智能家居有巨大的推進(jìn)作用，有助于相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

本文闡述了一種穩(wěn)定可靠、方便管理、便于推廣的智能家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，通過(guò)黑盒測(cè)試證明了其穩(wěn)定性和能耗采集功能的實(shí)現(xiàn)。目前正在北京、上海、江蘇、湖南、河北、遼寧等省十幾個(gè)試點(diǎn)小區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，最新的商用版本于2014年6月在貴陽(yáng)市進(jìn)行試點(diǎn)，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)、Pad、電視等終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)智能空調(diào)、智能熱水器、智能燈光和智能插座進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、用電信息查詢(xún)、電費(fèi)繳納等基本功能。同時(shí)集成第三方的社區(qū)、安防、監(jiān)控等功能也進(jìn)一步擴(kuò)展智能家居相關(guān)服務(wù)內(nèi)容，滿(mǎn)足了用戶(hù)的多種業(yè)務(wù)需求。用戶(hù)可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的管理，遠(yuǎn)程控制、定時(shí)開(kāi)關(guān)，還可以直觀地看到家庭能耗情況，做出相應(yīng)調(diào)整。

1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)分5層，分別為設(shè)備云服務(wù)層、設(shè)備路由層、核心服務(wù)層、終端路由層和終端云服務(wù)層，每層都采用多服務(wù)集群部署，具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能家居業(yè)務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

設(shè)備云服務(wù)層同時(shí)為智能家居設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)鏈接和短鏈接服務(wù)，同時(shí)將設(shè)備鏈接的信息發(fā)送給設(shè)備路由層保存。設(shè)備路由層是設(shè)備傳遞信息的路由通道，服務(wù)器通過(guò)設(shè)備路由層查找設(shè)備連接信息并下發(fā)控制指令，設(shè)備通過(guò)路由層上傳電量和同步信息。核心服務(wù)層提供家居控制、用電分析、用戶(hù)身份認(rèn)證等核心智能家居相關(guān)服務(wù)。終端路由層是手機(jī)、平臺(tái)等終端設(shè)備傳遞信息的路由通道，是實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備同步和信息推送的重要環(huán)節(jié)。終端云服務(wù)層為終端設(shè)備提供注冊(cè)、登錄、控制和查詢(xún)等功能的接入服務(wù)，同時(shí)將接入信息發(fā)送到終端路由層保存。

智能家居系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制終端、服務(wù)器和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)3部分組成，如圖2所示為智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。通過(guò)PC、手機(jī)和平板電腦等終端設(shè)備可以隨時(shí)隨地對(duì)家庭能耗進(jìn)行查詢(xún)與管理。通過(guò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制終端和家庭網(wǎng)關(guān)的交互，并儲(chǔ)存家庭能耗數(shù)據(jù)。智能家庭網(wǎng)關(guān)為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)交互的接口，是整套智能家居系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：對(duì)上實(shí)現(xiàn)了與服務(wù)器的信息通信，對(duì)下實(shí)現(xiàn)了與智能插座和智能家電設(shè)備的信息通信；將服務(wù)器下達(dá)指令進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換并下發(fā)給插座；實(shí)現(xiàn)對(duì)插座及其他智能家居設(shè)備的控制；向服務(wù)器上傳采集到的能耗數(shù)據(jù)。

圖2 智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

遠(yuǎn)程控制終端和家庭網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間遵守對(duì)應(yīng)的RF433 MHz通信協(xié)議，分別進(jìn)行交互，用戶(hù)命令通過(guò)服務(wù)器下發(fā)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)完成對(duì)智能家電和智能插座的控制；智能家電和智能插座的反饋信息和能耗數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳至服務(wù)器并進(jìn)行存儲(chǔ)，方便用戶(hù)查詢(xún)和進(jìn)行能耗分析。另外，本系統(tǒng)可以兼容WiFi協(xié)議。

從功能需求進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)上述功能進(jìn)行分類(lèi)，可以將其劃分為5個(gè)功能模塊：1）通信模塊，與服務(wù)器之間通信，包括接收服務(wù)器指令和向服務(wù)器發(fā)送指令。2）指令解析模塊，對(duì)指令進(jìn)行解析分類(lèi)，對(duì)不同類(lèi)型的任務(wù)分類(lèi)處理，放入相應(yīng)任務(wù)隊(duì)列。3）串口模塊，與下層智能家電和智能插座的通信，將指令下發(fā)給電器和智能插座，并接收來(lái)自電器和智能插座的反饋信息。智能插座和智能電器具有能耗采集模塊。4）即時(shí)任務(wù)處理模塊，對(duì)即時(shí)任務(wù)的處理，并發(fā)送反饋信息。客戶(hù)端軟件發(fā)起的能耗查詢(xún)?nèi)蝿?wù)屬于即時(shí)任務(wù)，例如，當(dāng)用戶(hù)查詢(xún)某電器設(shè)備某一時(shí)刻功率時(shí)，服務(wù)器接到用戶(hù)指令下發(fā)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)解析指令后控制家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率數(shù)據(jù)采集并返回給服務(wù)器。5）定時(shí)任務(wù)處理模塊，對(duì)定時(shí)任務(wù)進(jìn)行處理，并返回反饋信息。在用戶(hù)未發(fā)起查詢(xún)功能時(shí)，網(wǎng)關(guān)定時(shí)采集底層設(shè)備的耗電量、功率等能耗數(shù)據(jù)，即一般情況能耗采集屬于定時(shí)任務(wù)。

對(duì)于每一類(lèi)型功能設(shè)計(jì)，服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)之間有專(zhuān)門(mén)的通信協(xié)議，服務(wù)器負(fù)責(zé)設(shè)備底層通信協(xié)議幀的拼裝，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)任務(wù)的解釋、執(zhí)行以及返回。

2 智能家庭網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)智能家庭網(wǎng)關(guān)的需求分析，為了達(dá)到預(yù)期功能，對(duì)硬件進(jìn)行選型和對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，核心板功能模塊框見(jiàn)圖3。

圖3 控制中心核心板功能框圖

2.1 處理器及其外圍電路

網(wǎng)關(guān)采用NXP公司的ARM9處理器LPC3240，其IO電壓為3.3 V，內(nèi)核電壓為1.2 V。處理器的普通IO可直接使用3.3 V系統(tǒng)電源VCC 3.3 V，內(nèi)核電壓VCC_CORE由VCC3.3 V二次降壓得到，LPC3240的外部總線(xiàn)模塊電壓VCC_EMC和AD模塊電壓VCC_AD均由VCC3.3 V經(jīng)過(guò)LC濾波得到，LPC3240的鎖相環(huán)模塊電壓VCC_PLL由VCC_CORE經(jīng)過(guò)LC濾波得到。處理器需要雙時(shí)鐘：主時(shí)鐘和RTC時(shí)鐘。主時(shí)鐘使用13 MHz無(wú)源晶體振蕩器，經(jīng)鎖相環(huán)分頻、倍頻到208 MHz；RTC時(shí)鐘直接使用32.768 kHz無(wú)源晶振得到。LPC3240處理器支持ISP啟動(dòng)和NAND Flash啟動(dòng)，兩種啟動(dòng)方式之間可通過(guò)跳線(xiàn)進(jìn)行選擇。SERVICE_N信號(hào)直接與LPC3240的C15引腳（GPI_01/SENVICE_N）連接。處理器復(fù)位電路選用專(zhuān)用復(fù)位芯片SP706S，復(fù)位電壓為2.93 V，支持上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、電壓異常復(fù)位和WDT超時(shí)復(fù)位。由于SP706S的復(fù)位輸出電平為3.3 V，而LPC3240的復(fù)位信號(hào)輸入引腳電平為1.2 V，因此使用74LVC2G07做電平轉(zhuǎn)換，將3.3 V電平轉(zhuǎn)換為1.2 V。以太網(wǎng)、USB等外設(shè)的復(fù)位直接使用處理器的復(fù)位輸出信號(hào)。LPC3240完成復(fù)位后，會(huì)在G4引腳輸出一個(gè)3.3 V電平的復(fù)位信號(hào)，此復(fù)位輸出可直接應(yīng)用于外設(shè)復(fù)位。

2.2 以太網(wǎng)物理層電路

LPC3240處理器內(nèi)部集成以太網(wǎng)控制器的MAC層，因此只需要連接一個(gè)PHY（物理層）接口芯片和相關(guān)電路。LPC3240可以支持MII和RMII兩種接口，為節(jié)省引腳資源，選用RMII接口。本網(wǎng)關(guān)選擇的PHY芯片KSZ8041NL是一款單芯片10/100M以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，它具有功耗低、體積小、波形穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)。

KSZ8041NL與LPC3240處理器之間的接口電路如圖4所示，包含數(shù)據(jù)接口和管理接口。數(shù)據(jù)接口包括數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)TXD[0]、TXD[1]，發(fā)送使能信號(hào)TXEN，數(shù)據(jù)接收信號(hào)RXD[0]、RXD[1]，載波偵測(cè)信號(hào)CRS；管理接口包括管理數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)MDC，管理數(shù)據(jù)I/O信號(hào)MDIO。

KSZ8041NL的一些引腳說(shuō)明：28腳上拉和18腳下拉將芯片配置為RMII接口模式；15腳上拉表示將的地址設(shè)置為“00100”，用于管理接口訪(fǎng)問(wèn)時(shí)使用；20腳下拉表示工作在正常模式下；30腳上拉表示工作在自適應(yīng)模式；10腳同地之間的6.49 kΩ電阻是用于調(diào)整輸出電流；4，5，6，7腳經(jīng)過(guò)49.9Ω電阻連接到RJ-45的隔離變壓器；8，9引腳為時(shí)鐘輸入引腳，時(shí)鐘頻率為50 MHz。

2.3 智能控制模塊

能耗管理功能的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)智能控制模塊對(duì)底層設(shè)備的控制來(lái)完成，底層設(shè)備配置有CS-5463等不同類(lèi)型的能耗數(shù)據(jù)采集模塊，網(wǎng)關(guān)智能控制模塊在相應(yīng)時(shí)刻收集所需數(shù)據(jù)。

對(duì)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中智能插座、智能電器以及安防子系統(tǒng)的控制分別采用不同的控制模塊：智能插座控制模塊、智能家電控制模塊和無(wú)線(xiàn)安防接收器。智能插座控制模塊（MOD1）與LPC3240通過(guò)UART3進(jìn)行通信，接口信號(hào)為U3_TX和U3_RX。MOD1的復(fù)位信號(hào)可使用系統(tǒng)復(fù)位（SYSRESET），也可使用模塊內(nèi)部復(fù)位，通過(guò)JP4選擇。MOD1_HB信號(hào)為智能插座控制模塊的心跳信號(hào)，用于指示模塊工作是否正常。

對(duì)于智能家電的控制，目前只支持美的智能家電控制器。智能家電控制器與LPC3240處理器之間使用UART接口進(jìn)行通信，使用LPC3240的UART4。

安防子系統(tǒng)支持美安無(wú)線(xiàn)安防接收器，無(wú)線(xiàn)安防接收模塊與LPC3240之間使用UART接口通信。

圖4 以太網(wǎng)物理層接口電路

3 應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)

本智能家居系統(tǒng)采用RF433 MHz無(wú)線(xiàn)通信方式，采用自定義的應(yīng)用層通信協(xié)議，分為上行協(xié)議和下行協(xié)議，上行協(xié)議是智能家居系統(tǒng)服務(wù)器與智能家庭網(wǎng)關(guān)之間的應(yīng)用層協(xié)議，下行協(xié)議是智能家庭網(wǎng)關(guān)與硬件設(shè)備間的應(yīng)用層協(xié)議。服務(wù)器負(fù)責(zé)設(shè)備底層通信協(xié)議幀的拼裝，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)任務(wù)的解釋、執(zhí)行以及返回。上行應(yīng)用層協(xié)議根據(jù)功能類(lèi)型分為9大類(lèi)，每一類(lèi)采用不同的指令類(lèi)型，協(xié)議內(nèi)容的基本格式為：#網(wǎng)關(guān)識(shí)別碼#設(shè)備類(lèi)型碼#網(wǎng)關(guān)程序版本號(hào)#指令序號(hào)#指令類(lèi)型#，對(duì)于不同類(lèi)型任務(wù)需要添加更多字段，例如添加、刪除設(shè)備類(lèi)指令需要添加設(shè)備同步碼、設(shè)備認(rèn)證碼等字段，指令操作類(lèi)查詢(xún)?cè)O(shè)備狀態(tài)，需要添加指令條數(shù)字段。表1中舉例顯示部分典型上行協(xié)議。

4 智能家庭網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

軟件的實(shí)現(xiàn)采用多服務(wù)、單進(jìn)程多線(xiàn)程的方案，主要包括以下3種服務(wù)：1）主進(jìn)程服務(wù)負(fù)責(zé)應(yīng)用層廣域網(wǎng)接入、設(shè)備層低速網(wǎng)接入、并執(zhí)行指令任務(wù)且即時(shí)返回處理結(jié)果等操作；2）啟動(dòng)服務(wù)負(fù)責(zé)在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，調(diào)用相關(guān)應(yīng)用、服務(wù)并配置運(yùn)行環(huán)境、監(jiān)控守護(hù)線(xiàn)程等操作；3）升級(jí)服務(wù)負(fù)責(zé)提供網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序等相關(guān)文件的升級(jí)、配置等操作。

將主進(jìn)程中的5個(gè)功能模塊分別用5個(gè)不同的線(xiàn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)：主線(xiàn)程完成對(duì)即時(shí)任務(wù)的處理；用戶(hù)可以隨時(shí)查詢(xún)電器瞬時(shí)功率，對(duì)電器的耗電情況深入了解；輔線(xiàn)程1用來(lái)完成與服務(wù)器間的Socket通信；輔線(xiàn)程2對(duì)服務(wù)器下發(fā)指令進(jìn)行解析，對(duì)不同任務(wù)分類(lèi)處理；輔線(xiàn)程3對(duì)定時(shí)任務(wù)進(jìn)行處理，包括定時(shí)查詢(xún)功率和耗電量，定時(shí)開(kāi)關(guān)電器等；定時(shí)查詢(xún)功率和耗電量即為能耗管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將采集到的數(shù)據(jù)存入服務(wù)器，方便用戶(hù)隨時(shí)查看，根據(jù)數(shù)據(jù)改變用電習(xí)慣；輔線(xiàn)程4完成網(wǎng)關(guān)與底層智能家電和智能插座的串口通信。圖5通過(guò)命令和任務(wù)的傳遞途徑顯示了程序的總體流程。能耗管理需要各線(xiàn)程協(xié)調(diào)工作，并主要由主線(xiàn)程和輔線(xiàn)程3實(shí)現(xiàn)。

5 網(wǎng)關(guān)測(cè)試

網(wǎng)關(guān)的測(cè)試主要通過(guò)黑盒測(cè)試完成，即不關(guān)心網(wǎng)關(guān)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，只看是否能夠完成設(shè)計(jì)的功能，測(cè)試從操作控制的穩(wěn)定性和能耗數(shù)據(jù)的采集兩方面進(jìn)行。圖6為網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖。測(cè)試時(shí)保證后臺(tái)服務(wù)器正常運(yùn)行，手機(jī)客戶(hù)端軟件也正常運(yùn)行，家庭網(wǎng)關(guān)每一項(xiàng)功能的順利完成都是在服務(wù)器和客戶(hù)端軟件的參與下，由網(wǎng)關(guān)內(nèi)各線(xiàn)程協(xié)調(diào)配合完成。所以只有所有線(xiàn)程都保持正常，每一項(xiàng)功能才能順利執(zhí)行。

表1 應(yīng)用層上行協(xié)議

圖5 智能家庭網(wǎng)關(guān)任務(wù)流程圖

圖6 智能家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖（照片）

5.1 穩(wěn)定性測(cè)試

在10 m×10 m的房間內(nèi)，網(wǎng)關(guān)和智能插座位置隨意擺放。經(jīng)過(guò)多輪反復(fù)測(cè)試和Bug修改，網(wǎng)關(guān)上電后，網(wǎng)關(guān)的初始化、向服務(wù)器進(jìn)行注冊(cè)，都能順利完成。

測(cè)試的主要內(nèi)容主要包括：獲得網(wǎng)關(guān)識(shí)別碼、獲取程序版本號(hào)、解析域名獲取服務(wù)器IP和端口、讀取現(xiàn)有設(shè)備信息；添加、刪除智能插座；設(shè)置、取消、執(zhí)行定時(shí)任務(wù)，完成對(duì)插座的定時(shí)開(kāi)關(guān)控制；對(duì)插座的即時(shí)開(kāi)關(guān)控制。在斷電、重啟、意外關(guān)閉等不同情況下分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中所有功能均可以順利完成，穩(wěn)定性達(dá)到要求。

5.2 能耗數(shù)據(jù)采集功能測(cè)試

能耗數(shù)據(jù)采集是定時(shí)循環(huán)任務(wù)，可以通過(guò)終端設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，測(cè)試中設(shè)置為功耗采集60 min對(duì)進(jìn)行一次，功率采集10min進(jìn)行一次。底層設(shè)備采集到數(shù)據(jù)后發(fā)送給串口，網(wǎng)關(guān)再上傳服務(wù)器進(jìn)行保存。本測(cè)試中，在智能插座上接入一臺(tái)飲水機(jī)，測(cè)試時(shí)間為一個(gè)月。每隔10 min上傳一次功率信息，每隔60 min自動(dòng)上傳一次耗電量信息，在測(cè)試全程均未出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集失敗、錯(cuò)誤或上傳失敗現(xiàn)象。

6 結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)家居控制自動(dòng)化與智能化中，很少涉及或穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)家庭能耗管理。本文提出一種基于能耗管理的新型智能家居系統(tǒng)策略，并完成了其中智能家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?；贏RM9硬件環(huán)境，采用自定義的433 MHz無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，完成了嵌入式應(yīng)用軟件編程，不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家電和插座的智能控制，而且可以采集家庭能耗信息，上傳服務(wù)器供用戶(hù)和供電公司分析使用。對(duì)于如何推廣自定義433 MHz通信協(xié)議和進(jìn)一步兼容WiFi協(xié)議，有待進(jìn)一步研究，也是下一步工作的重點(diǎn)。

[1]呂顯朋，劉彥隆，王相國(guó).基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2013，37（24）：43-48.

[2]李玉凌，李玉成，周春來(lái)，等.家庭智能用電系統(tǒng)構(gòu)架及智能網(wǎng)關(guān)的研究[J].電氣應(yīng)用，2013（10）：46-49.

[3] BOIVIN JY.Demand sidemanagement-the role of the power utility [J].Pattern Recognition，1995，28（10）：1493-1497.

[4]CAPONE A，BARROSM，HRASNICA H，et al.A new architec?ture for reduction of energy consumption of home appliances[R]. Brussels：European Conference of the Council of the EU，2009.

[5] CHOI T S，KO K R，PARK SC，et al.Analysis of energy savings using smart metering system and IHD（in-home display）[C]//Proc. Transmission&Distribution Conference&Exposition：Asia and Pa?cific.Seoul：IEEE Press，2009：1-4.

[6] OUYANG J，HOKAO K.Energy-saving potential by improving oc?cupants’behavior in urban residential sector in Hangzhou city，Chi? na[J].Energy and Buildings，2009，41（7）：711-720.

[7]劉杰，章韻，陳建新.利用433MHz射頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，32（A02）：68-72.

[8] 涂亮，段紅光.基于433無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2012，36（6）：44-46.

Design and Achievement of Smart Home Getway Based on Home Energy M anagement

LIU Kai，QI Yincheng
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Hebei Baoding 071003，China）

Based on the situation that traditional smart home technology only focusing on achieving the auto controlling，a stable and reliable smart home strategy is presented.It combines home energy management and auto control.The getway is the core of the whole system.The CPU of getway is LPC3240，and it use RF433 MHz wireless communication and self-defined protocol.The software scheme is multi-tasking，single-process and multi-threads.The getway is tested by the black box testing，and finally the stability meets the qualification and the function of energy data acquisition is achieved.

smart home；home energy management；LPC3240；RF433 MHz communication protocol；multi-tasking single-process and multi-thread；black box testing

TP311.1

A

劉 凱，研究生，主要研究方向智能用電、嵌入式、無(wú)線(xiàn)通信，為本文通信訊作者；

?? 雯

2014-07-13

【本文獻(xiàn)信息】劉凱，戚銀城.基于能耗管理的智能家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2014，38（21）.

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目（2011AA05A117）

戚銀城，教授，主要研究方向圖像處理，信息安全，無(wú)線(xiàn)通信。