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[摘 要]本文设计并实现了一种由WIFI为主要通信方式的家庭用电管理系统。该系统由众多具有WIFI通信功能的用电检测节点互联而成，并能够通过路由器连接至外网，位于智能手机端的配套APP可通过外网或者直接连接至系统进行通信。该系统安装、拓展方便，能够实时监测家庭的用电状况，纪录历史用电数据，用户还可通过智能手机端APP远程控制电器用电，并能设置计划任务定时管理用户电器。系统在很大程度上方便了用户对家庭用电的掌握。
[关键词]家庭用电管理；WIFI；ESP8266；远程控制；STM32
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0255-01
一、引言
随着社会的进步与发展，智能家居的概念已经逐渐进入我们的日常生活和工作中，并为我们的办公、生活提供了不少的便利。智能家居是在互联网影响之下物联化的体现。通过物联网技术将家中的各种设备连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段 。其中，对于家庭用电设备的智能管理，是实现智能家居的一个重要方面。
二、整体方案设计
家庭用电管理系统是由具有WIFI无线通信功能的用电检测节点、路由器以及远程交互终端组成。整个系统的最小单位是分布在家庭各个用电单元的用电检测节点。检测节点通过检测用电器电流及电压进行分析计算并存储，各个检测节点通过WIFI与路由器进行通信并将数据传送至远程交互终端进行汇总处理。考虑到检测节点的布置范围、布置数量、WIFI通信的距离限制、无线路由器的承载能力以及通信的可靠性，选择合适的通信网络结构至关重要。本系统采用一种自由组合的方式，即每个检测节点都支持三种模式：AP、STA以及AP+STA共存模式。AP模式：即无线接入点，是一个无线网络的创建者，是网络的中心节点。STA模式：即站点，每一个连接到无线网络中的终端（如笔记本电脑、PDA及其它可以联网的用户设备）都可称为一个站点。AP+STA模式：即同时支持上述两种模式，即可作为AP模式供其它设备连接，同时也可作为站点接入其他网络中。每个检测节点可也设置为上述三种模式中的一种，当检测节点数量较多或者部分节点距离路由器较远以致信号不佳，可以通过将其中部分节点设置为AP+STA共存模式作为一个中继节点，中继节点附近的节点可以以STA模式接入该中继节点，多个中继节点与无线路由器互联实现通信。同时远程交互终端还可以直接联入中继节点进行数据通信。其系统结构图如图1所示。
1. 用电检测节点的设计
用电检测节点按需布置在家庭的各个用电处，其任务主要是完成电能的计量采集，数据处理，数据存储，并通过无线与远程交互终端进行通信，同时，能够实现按照远程交互终端的指令或者计划任务对电源实施通断。检测节点主要由CPU系统控制单元、电能参数测量单元、数据存储单元、无线通信单元、电源开关单元等几个部分组成。
a） 2.CPU控制单元
节点CPU控制单元采用ST公司的STM32L151C6系列超低功耗32位单片机作为系统主控，该单片机采用QFN48封装面积仅有7X7mm，最大运行频率32MHz，具有32KBROM、10KBRAM，同时片内还集成4KB的EEPROM存储单元，可用于数据存储。并且该单片机外设资源丰富，具有6路16位定时器、2路SPI、2路IIC、3路串口等。而且该单片机正常工作模式下每MHz仅需117ua的电流，在低功耗模式下整机仅需0.3ua电流，功耗极低，完全满足工作系统要求。
b） 电能参数测量单元
电能测量单元采用专用的功率芯片CS5460A，该芯片精度较高且外围电路简单使用方便。CPU控制单元通过SPI接口与该芯片连接。为了尽量缩小体积，该单元不采用体积较大的电流互感器与电压互感器进行电流与电压采集。而是采用体积较小的分压电阻与分流器进行电参数采集，然后通过转换电路将采集信号转换为模拟电压信号输入CS5460A中，芯片内部自动计算出瞬时电流、瞬时电压、电流有效值、电压有效值、功率等各种参数并存入寄存器中，单片机定时通过串行接口从芯片中读取数据进行分析计算并存储。电能参数测量单元电路如图2所示。
c） 数据存储单元
数据存储采用STM32L151C6系列单片机内置的4KB EEPROM存储单元以减小体积，缩减成本。
d） 无线通信单元
无线通信单元采用ESP8266串口WIFI模块。CPU控制单元通过USART接口与该模块连接。该模块采用串口AT指令进行控制，支持AP、STA、AP+STA共存模式。模块封装尺寸小，大小仅有17mmX12mm，能够方便的嵌入系统当中。
e） 电源开关单元
电源开关单元采用体积较小的双向可控硅。这里采用BTA10-600B三端双向可控硅，采用TO-220封装。该可控硅耐压600V，通态方均电流（RMS）为10A，满足一般家庭电器的用电要求。为了实现强弱电隔离，采用MOC3063光耦驱动可控硅。CPU控制单元的PB0与MOC3063的引脚1连接，当PB0为高电平时光耦导通驱动可控硅导通，当PB0为低电平时光耦截止，可控硅截止断开。
f） 远程交互终端设计
目前智能手机已经相当普及，远程交互终端是以智能手机为载体开发的专用APP，通过智能手机强大的联网能力与系统进行通信。该APP实现了实时数据读取、历史数据读取、电源开关、计划任务等功能。实时数据读取功能能够显示电器当前实时用电数据。历史纪录功能能够以图表的形式显示电器历史用电数据，为用户合理用电提供依据。电源开关功能能够控制指定节点的电源开关。计划任务功能能够让用户设置节点定时开关电源或者设置节点用电量超过设定值时自动断电。
三、 总结
本文给出了一种采用WIFI通信的家庭用电管理系统，实现了实时监测并显示用户的用电信息，并提供历史信息查询功能，同时还可远程控制用户电器，还提供了计划任务功能，实现定时启用或关闭电器电源。本系统采用WIFI通信，系统布置方便，可拓展性强，网络稳定性强。并且本系统检测节点所有元件均采用超小封装，实现体积小型化，可方便的嵌入当前家庭的电源设备中。
参考文献
[1] 董宇，杨强，颜文俊.基于nRF905和GPRS的智能家居用电监测系统[J].电子技术应用，2012（9）：78-81
[2] 彭桂力，潘雷，王秀丽，李维.基于CS5460芯片的智能家居用电监控装置[J].微型电脑应用，2014（10）：45-48
[3] 徐伟，姜元建，王斌，智能插座在智能家居系统中的设计和应用[J].中国仪器仪表，2010（10）：45-47
[关键词]家庭用电管理；WIFI；ESP8266；远程控制；STM32
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0255-01
一、引言
随着社会的进步与发展，智能家居的概念已经逐渐进入我们的日常生活和工作中，并为我们的办公、生活提供了不少的便利。智能家居是在互联网影响之下物联化的体现。通过物联网技术将家中的各种设备连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段 。其中，对于家庭用电设备的智能管理，是实现智能家居的一个重要方面。
二、整体方案设计
家庭用电管理系统是由具有WIFI无线通信功能的用电检测节点、路由器以及远程交互终端组成。整个系统的最小单位是分布在家庭各个用电单元的用电检测节点。检测节点通过检测用电器电流及电压进行分析计算并存储，各个检测节点通过WIFI与路由器进行通信并将数据传送至远程交互终端进行汇总处理。考虑到检测节点的布置范围、布置数量、WIFI通信的距离限制、无线路由器的承载能力以及通信的可靠性，选择合适的通信网络结构至关重要。本系统采用一种自由组合的方式，即每个检测节点都支持三种模式：AP、STA以及AP+STA共存模式。AP模式：即无线接入点，是一个无线网络的创建者，是网络的中心节点。STA模式：即站点，每一个连接到无线网络中的终端（如笔记本电脑、PDA及其它可以联网的用户设备）都可称为一个站点。AP+STA模式：即同时支持上述两种模式，即可作为AP模式供其它设备连接，同时也可作为站点接入其他网络中。每个检测节点可也设置为上述三种模式中的一种，当检测节点数量较多或者部分节点距离路由器较远以致信号不佳，可以通过将其中部分节点设置为AP+STA共存模式作为一个中继节点，中继节点附近的节点可以以STA模式接入该中继节点，多个中继节点与无线路由器互联实现通信。同时远程交互终端还可以直接联入中继节点进行数据通信。其系统结构图如图1所示。
1. 用电检测节点的设计
用电检测节点按需布置在家庭的各个用电处，其任务主要是完成电能的计量采集，数据处理，数据存储，并通过无线与远程交互终端进行通信，同时，能够实现按照远程交互终端的指令或者计划任务对电源实施通断。检测节点主要由CPU系统控制单元、电能参数测量单元、数据存储单元、无线通信单元、电源开关单元等几个部分组成。
a） 2.CPU控制单元
节点CPU控制单元采用ST公司的STM32L151C6系列超低功耗32位单片机作为系统主控，该单片机采用QFN48封装面积仅有7X7mm，最大运行频率32MHz，具有32KBROM、10KBRAM，同时片内还集成4KB的EEPROM存储单元，可用于数据存储。并且该单片机外设资源丰富，具有6路16位定时器、2路SPI、2路IIC、3路串口等。而且该单片机正常工作模式下每MHz仅需117ua的电流，在低功耗模式下整机仅需0.3ua电流，功耗极低，完全满足工作系统要求。
b） 电能参数测量单元
电能测量单元采用专用的功率芯片CS5460A，该芯片精度较高且外围电路简单使用方便。CPU控制单元通过SPI接口与该芯片连接。为了尽量缩小体积，该单元不采用体积较大的电流互感器与电压互感器进行电流与电压采集。而是采用体积较小的分压电阻与分流器进行电参数采集，然后通过转换电路将采集信号转换为模拟电压信号输入CS5460A中，芯片内部自动计算出瞬时电流、瞬时电压、电流有效值、电压有效值、功率等各种参数并存入寄存器中，单片机定时通过串行接口从芯片中读取数据进行分析计算并存储。电能参数测量单元电路如图2所示。
c） 数据存储单元
数据存储采用STM32L151C6系列单片机内置的4KB EEPROM存储单元以减小体积，缩减成本。
d） 无线通信单元
无线通信单元采用ESP8266串口WIFI模块。CPU控制单元通过USART接口与该模块连接。该模块采用串口AT指令进行控制，支持AP、STA、AP+STA共存模式。模块封装尺寸小，大小仅有17mmX12mm，能够方便的嵌入系统当中。
e） 电源开关单元
电源开关单元采用体积较小的双向可控硅。这里采用BTA10-600B三端双向可控硅，采用TO-220封装。该可控硅耐压600V，通态方均电流（RMS）为10A，满足一般家庭电器的用电要求。为了实现强弱电隔离，采用MOC3063光耦驱动可控硅。CPU控制单元的PB0与MOC3063的引脚1连接，当PB0为高电平时光耦导通驱动可控硅导通，当PB0为低电平时光耦截止，可控硅截止断开。
f） 远程交互终端设计
目前智能手机已经相当普及，远程交互终端是以智能手机为载体开发的专用APP，通过智能手机强大的联网能力与系统进行通信。该APP实现了实时数据读取、历史数据读取、电源开关、计划任务等功能。实时数据读取功能能够显示电器当前实时用电数据。历史纪录功能能够以图表的形式显示电器历史用电数据，为用户合理用电提供依据。电源开关功能能够控制指定节点的电源开关。计划任务功能能够让用户设置节点定时开关电源或者设置节点用电量超过设定值时自动断电。
三、 总结
本文给出了一种采用WIFI通信的家庭用电管理系统，实现了实时监测并显示用户的用电信息，并提供历史信息查询功能，同时还可远程控制用户电器，还提供了计划任务功能，实现定时启用或关闭电器电源。本系统采用WIFI通信，系统布置方便，可拓展性强，网络稳定性强。并且本系统检测节点所有元件均采用超小封装，实现体积小型化，可方便的嵌入当前家庭的电源设备中。
参考文献
[1] 董宇，杨强，颜文俊.基于nRF905和GPRS的智能家居用电监测系统[J].电子技术应用，2012（9）：78-81
[2] 彭桂力，潘雷，王秀丽，李维.基于CS5460芯片的智能家居用电监控装置[J].微型电脑应用，2014（10）：45-48
[3] 徐伟，姜元建，王斌，智能插座在智能家居系统中的设计和应用[J].中国仪器仪表，2010（10）：45-47