基于MIPS32设计的智能电网家庭用电监控系统

作者：时间：2017-06-08来源：网络收藏

本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/201706/351001.htm

一．研究背景与意义

随着智能电网理念的提出，基于家庭智能交互终端的电能计量和营销方案已逐步形成，这意味着家居控制将迈向智能化。智能家居是近几年产生并迅速崛起的一种新型家居住宅，家居的智能化为住户提供了一种更加安全、舒适、方便、快捷和开放的智能化、信息化的生活空间，极大的方便了用户。因此，组建一套以家庭交互终端为核心的家居控制系统，对智能电网的改造和实施有重大的意义。

但目前的家居智能化系统存在一个很大的局限，即只是实现了局部的智能化。而真正意义上的家居智能化则应该是拥有一个集中的终端控制系统，通过该终端对家居的所有设备进行智能化的控制和监控，这也将是智能家居系统未来的发展方向。

本设计以MIPS公司的32位处理器为核心来组建智能显示终端，并以具备无线通讯的智能插座为被控节点，搭建了一套简易的智能家居控制系统。该系统可通过远程（手机短信），和本地（智能显示终端）两种方式进行控制。下面将对本系统的构成和实现方案，以及各模块中涉及的关键问题进行分析。

二．系统的构成与工作原理

1 系统构成与原理

本系统由手机，智能显示终端，智能插座构成。手机与智能显示终端之间通过GSM模块进行通讯，智能显示终端和智能插座之间采用Zigbee进行通讯。

智能插座作为基本的控制单元，能够实时采集每个房间的用电信息，并将信息实时传送到智能显示终端。当发现用电异常时，智能插座自动断电并将执行结果发送到智能显示终端。智能显示终端也将这一结果发送到用户手机。

手机实现用户的远程控制和信息接收。用户外出时，通过手机发送的指令（如预启动，预关闭，限时供电等）将被智能终端接收并下发到智能插座。另外，智能插座的所有执行动作都将通过智能显示终端发送到手机。

智能显示终端既能够接收手机发送的指令，也能够接收智能插座发送的数据。智能显示终端接受智能插座上传的数据后，数据将被存储下来。当用户启动查询功能时，智能显示终端将调用这些数据，并进行分析计算，将各种类型的用电信息显示出来。

2 功能简介

1 实时用电监控

2 用电器的预启动和预关闭

3 限时供电

4 限功率供电

5 温度监控

6 故障报警

7 短信远程操控

8 本地触摸屏操控

9 各种类型的查询功能。包括月用电，日用电，时段用电，任意时段累计用电，以及任一单个用电器的用电情况。

10 人性化的触摸屏操作和语音输出

三．项目技术方案

1 系统构成

本系统设备主要由三部分组成：手机，智能显示终端，智能插座。如图1.1所示。

图1.1 系统示意图

1.1 系统结构

本系统设备主要由三部分组成：手机，智能显示终端，智能插座。

根据户主的是否在家，设计了两种方式进行控制。

1 手机短信。这种方式主要针对户主出差在外的情况而设计，便于远程操控。手机可向智能显示终端下发命令，智能显示终端接收到命令后，对命令进行解码并向各个智能插座下发命令。智能插座接收到控制命令后，执行对应操作，并将执行结果反馈至智能显示终端，智能显示终端再将接收到的信息发送给手机。

2 本地触摸屏。这种方式针对户主居家的情况而设计。户主可直接在触摸屏上完成相应操作，根据界面提示，进行操控。

其中智能显示终端和手机通过GSM模块进行通讯，智能显示终端和智能插座之间通过Zigbee进行数据通讯。

系统框图如图1.2所示：

图1.2 系统总体框图

1.2 功能描述

1通过该系统可以实现对家电的实时监控，定时启动，限功率供电等重要功能，轻松对各个房间的用电设备进行管理。

2 通过智能插座和在智能显示终端的无线通信，用户可以查看家中每个用电设备的详细用电信息。用户可以对每个设备的每月，每天，甚至某个时段的用电量进行查询。

3本地远程操作。即便是出差在外也能对家中的用电情况了如指掌。各部分实现的功能如图1.3所示：

图1.3 系统功能框图

2 关键模块分析

本设计拟采用Digilent Cerebot™ 32MX4开发板的32位控制芯片。Cerebot 32MX4的主要特点是具有一个全新Microchip® PIC32™微控制器。PIC32可提供工作频率80MHz的32位MIPS处理器内核、512KB的编程FLASH、32KB的RAM内存以及众多的外围设备，包括USB控制器、定时器/计数器、串口控制器、A/D转换器以及更多的设备。

该板具有大量的I/O接口可以满足本系统的需求，另外USB电源，以及与Microchip MPLAB开发软件相兼容的内置编程使得调试电路非常方便。

本系统中RTCC和AD电路采用单片机内置的模块，无需单独设计，下面就其他模块的软硬件设计进行分析。

2.1 GSM模块分析

2.1.1 硬件设计

GSM的短信息业务SMS利用信令信道传输，提供了一种有保证的双向服务，这是GSM通信网所特有的。它不用拨号建立连接，把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，经服务中心完成存储后再发送给最终的信宿。所以即使当目的GSM终端没开机时信息也不会丢失。发送方发出一条短消息后，得到一条传递成功或失败的消息，以及不可到达的原因。每个短消息的信息量限制为140字节。

目前GSM芯片和GSM收发模块的技术已经比较成熟，市场上也已经有现成的模块可供选用。这些芯片和模块一般都具备GSM无线通信的全部功能，提供标准的RS一232接口，支持GSM07.05所定义的AT命令集的指令，很容易实现系统的集成，二次开发也比较方便，本设计选择了一款性价比较高的西门子MC39i无线收发模块。

MC39i是西门子的新一代双频GSM/GPRS无线模块，是目前使用广泛的MC39i模块的环保型升级换代产品。它采用紧凑型设计，为用户提供了简单、内嵌式的无线连接。MC39i有丰富的AT命令，功能强大，操作灵活方便，是传统调制解调器与GSM无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备。该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为传输数据、语音、短消息、和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。

主要性能：

n 支持EGSM900/GSM1800双频；

n 适用于GSM2/2+；

n 输出功率：功率级4(2W)，EGSM900；功率级1(IW)，GSM1800；

n 数据传输GPRS模式；

n 最大下行传输速率85.6kbps；

n 最大上行传输速率42.8kbps；

n 标准RS232双向接口；

n AT命令控制；

n 电源电压为单一电压3.3～4.8V；

n 电流消耗：3.0 mA（睡眠）、10.0 mA（闲置）

MC39i模块内部框图如图2.1所示，从功能上看主要由四部分组成：GSM基带处理器、GSM射频部分、电源、存储器。GSM基带处理器是整个模块的核心，它由一个C166CPU和一个DSP处理器内核控制着模块内各种信号的传输、转换、放大等处理过程。GSM射频部分是一个单片收发器，它由一个外差式接收器、上变频调制环路发送器、一个射频锁相环路和一个全集成中频合成器4个功能块组成，共同完成对射频信号的接收和发送等处理。

图2.1 Mc39i结构框图

该模块主要硬件设计包括下面两部分。

1 用户识别卡（SIM卡）。

Mc39i的基带处理器集成了一个与ISO 7816-3 IC Card标准兼容的SIM接口。为了适合外部的SIM接口，该接口通过ZIF连接器连接到Mc39i的第24～29引脚。Mc39i在ZIF连接器上为SIM卡接口预留了6个引脚，所添加的CCIN引脚用来检测SIM卡支架中是否插有SIM卡。当插入SIM卡，该引脚置为高电平，系统方可进入正常工作状态。

2 SYNC信号及电路设计。

在本电路设计中利用SYNC信号来控制一个状态灯以检测MC39i模块当前处于何种状态。由于MC39i模块SYNC引脚输出的驱动能力不够，所以设计采用一个三极管对输入电流进行放大以提高驱动能力。

部分硬件设计图如下：

图2.2 SYNC信号原理图

图2.3 SIM卡接口

图2.4 GSM部分硬件框图

2.1.2 软件设计

SMS短消息采用AT命令的PDU ModePDU模式是发送或接收手机SMS信息的一种方法，PDU串表面上是一串ASCII码，由‘0’～‘9’、‘A’～‘F’这些数字和字母组成。它们是8位字节的十六进制数，或者BCD码十进制数。PDU串不仅包含可显示的消息本身，还包含很多其它信息，如SMS服务中心号码、目标号码、回复号码、编码方式和服务时间等。短信息正文经过十六进制编码后被传送出去。

PDU相当于一个数据包，它由构成消息(SMS)的信息组成。作为一种数据单一元，它必须包含源／目的地址、保护(有效)时间、数据格式、协议类型和正文，正文长度可达140字节，它们都以十六进制表示。PDU结构根据短消息由移动终端发起或以移动终端为目的而不同。

1 移动终端发起时，PDU的格式为：

SMSC PDU类型脉DA PID DCS VP UDL UD(0~1400cted)

2 移动终端为目的时，PDU的格式为：

SMSC PDU类型OA PID DCS SCTS UDL LID(0~400cted)

其中，SMSC为短消息业务中心地址，DA／OA为源／目的地址，PID为协议识别，DCS为数据编码，UDL为用户数据长度，UD为用户数据，VP为有效时间，LID指明是发出信息，SCTS指明短消息到达业务中心的时间。

本系统中发送的短消息包含中文汉字和数字，所以选择PDU串的用户信息编码方式TP-DCS是08，表示UCS2编码方式，UCS2编码是将每个字符(1-2个字节)按照ISO／IECl0646的规定，转变为16位的Unicode宽字符。但在GSM标准中，中文编码采用UTF一8的编码方式，不是目前国内常用的GB一2312编码，故还需要进行中文编码的转换，才能与采用GB-2313汉字库相配合显示汉字字型。由于UTF-8和GB-2312编码之间不存在一一对应的线性关系，因此只能采用查表的方式进行转换。

在消息发送前，要将消息中ASCII字符及汉字统一编码成UCS2码，以PDU数据包的形式发送。接收到的数据是以7b的编码形式存储在Mc39i模块或SIM卡内，在数据读取时直接从Mc39i模块中得到符合GSM规范的数据，需经过提取得到7b编码的有用数据。然而，这些7b编码数据是以ASCII字符的形式存在的，要转换成8位的十六进制形式的7b编码，再解码成可用的ASCII码数据，这样得到GSM网络发送来的原始数据，如图2.5所示。

图2.5 SMS数据传输过程

MC39i开机后首先选择端口，然后检查SIM是否插入，成功检测到SIM卡后即可启动串口发送，并点亮状态灯。接着设置短消息中心，并进行连接测试，连接成功后发送开机成功短信到主控器。如果以上步骤没有执行成功，则转向出错处理。Mc39i模块工作流程图如图2.6所示。

图2.6 Mc39i工作流程图

2.2 Zigbee通讯模块分析

Zigbee是一种低速短距离无线通信技术，是一种拓展性强、易布建的低成本无线网络，低耗电、双向传输，适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备，如今已被广泛应用于家庭自动化领域。

Zigbee技术有以下特点：

n 省电。由于工作周期很短、收发信息功耗较低，并且采用了休眠模式。

n 时延短。设备搜索时延典型值为30 ms，休眠激活时延典型值15 ms，活动设备信道接入时延为15 ms。

n 节点通信设置易于配置。

n 近距离。传输范围一般介于10～100 m 之间。

n 网络容量大。Zigbee可以采用星形、网状、串状结构组网，而且可以通过任一节点连接组成更大的网络结构。

n 安全。Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

n 全球通用性和完好的开放性。Zigbee标准协议，使Zigbee设备间的通信成为轻而易举的事情。

本系统中智能插座和智能终端需要进行无线通讯，双向传输命令或数据，进而控制家电，而Zigbee这种低功耗，低成本的无线方式，符合家居系统节能理念。Zigbee的数据的传输量不大，而我们的指令数据也是简短的数据包，足以满足需求。另外，Zigbee安全，开放的协议方式使得在此基础上进行设备扩充变得简单易行，这也为智能家居的多元化的发展奠定了基础。

2.2.1 硬件设计

该系统由多个终端节点(智能插座)决定检测区域的范围，各终端节点监测到的用电数据通过自组织的多跳路网络传送至智能显示终端进行处理。从短信平台或触摸屏发送的命令通过智能显示终端的分析解码，在由此广播传送至每个智能插座。

1、芯片选型

本方案采用CC2430为核心构造数据采集节点，只需要在CC2430芯片外接少量晶振、电容、电阻等无源器件，不仅能够满足整个系统的数据采集、无线通信等功能的需求，而且具有功耗低，电路简单，节点体积小以及成本低廉等优势。

2、组网结构

Zigbee网络支持星状，树状和网状三种网络拓扑结构。

星状网络由一个ZigBee协调器和多个终端设备组成，只存在ZigBee协调器与终端设备之问的通讯，终端设备间不能直接通信，都需要通过ZigBee协调器的转发；树状网络由一个ZigBee协调器和多个星状结构连接而成，灵活度高于星状拓扑结构；网状结构最为完善，任何网络中的节点均可互联，通讯量也最大，但是会造成存储空间开销过大。

考虑到本系统的设备数量不多，网络复杂度不高，因此拟采用较为经济适用的星状结构。

本系统中智能显示终端为协调器（即主节点），智能插座为设备终端（即子节点）。硬件框图如图2.7所示：

图2.7节点硬件设计框图

2.2.2 软件设计

Zigbee的数据传输方式有帧模式与流模式两种。帧模式是通过片上RAM来缓存处理的，而流模式则是通过数据寄存器来进行单个字节处理的。系统设计采用可变帧长的帧格式。一个完整的满足1EEE 802.15.4规范的协议帧至少要包含9个字节的数据。同步头包括4个字节的帧前导字节(Preamble)和1个字节的帧开始标志SFD(Start of Frame Delimiter)、1个字节的帧长度标志FLI(Frame Length Indicator)、l～125个字节的数据净荷(Payload Data)、1个字节的帧校验(FCS)组成的，具体格式如下表所示：

4字节	1字节	1字节	1-125字节	1字节
Preamble	SFD	FLI	Payload Data	FCS

本监控系统中的智能插座是网络中的子节点，智能显示终端是网络中的协调器（即主节点）。

1、主节点设计。智能显示终端首先初始化，开中断，然后格式化当前的网络子节点。监测zigbee信号，看当前是否有新的节点加入。若有，则为其分配网络地址。然后，检测并接收智能插座送过来的数据信息，并把命令解析出来执行相应操作。

2、子节点设计。子节点首先初始化CC2430和zigBee协议栈，然后发送网络信号，等待网络协调器响应并给自己分配网络地址。智能插座检测当前状态，并将数据打包发送到智能显示终端，如果发送成功，智能插座进入空闲状态，否则重新向智能显示终端提交一次信息。

Zigbee网络的主节点、子节点软件设计流程如图2.8所示。

图2.8 节点软件设计流程图

2.3 语音输出模块

语音输出模块实现菜单操作和用电异常过程中的报警功能，考虑到系统只需要输出语音，这里我们采用中青世纪科技公司PM50SS50，该芯片由专用的语音单片机和FLASH RAM存储器集合构成，它有50秒的128段语音播放功能，可选择PWM和DAC两种音频输出方式，PWM方式可直接驱动喇叭，单片机可以方便的串行或者并行控制PM50SS50播放内部的语音。

本设计中采用串行控制的方式，选用DAC方式输出音频，再经过音频功率放大器，即可输出语音。PM50SS50的引脚图如图2.9所示。

图2.9 PM50SS50引脚图

串行模式下最大可分128段，K1为数据端，K2为时钟端，OUT1为忙信号端。时钟上升沿时数据端有效。语音段的地址为80H~FFH，第一段的地址是80H，按顺序排列，共128段语音。外部单片机直接送入要播放的段号数据，播放，结束时PM50的忙信号拉低，在判断一段语音结束时，外部单片机再送下一段语音的段号。

本设计中涉及语音包括报警提示和语音菜单提醒。设计采用数字录音技术，工作前先将系统用到的语音输出内容通过麦克风录入电脑，然后将数字化后的语音通过下载器分别存入PM50SS50的FLASH中。当需要语音输出时，只需将要输出内容所对应的段码通过串行方式发送给PM50SS50，PM50SS50将输出对应的模拟语音信号，再通过功率放大器由扬声器输出。

2.4 触摸屏模块

触摸屏分电容式和电阻式两种，考虑到电容式触摸屏的功能原理是基于电容的测量，而当环境温度、湿度，或者环境电场发生改变时，都会引起电容屏的漂移，容易造成误操作，因此本设计采用电阻式触摸屏，采用LCD彩色液晶显示。

彩色液晶触摸屏可以显示字符图形及汉字，简单易用，界面友好，作为智能显示终端的人机交互界面非常合适。

2.4.1 硬件设计

Microchip公司特别针对PIC32MX系列还开发了图形软件库。该软件可以方便地把各种语言、各种字体的文字以及位图格式的图片转化为能够在软件中直接使用的数组矩阵，极大地方便了用户。本设计使用单片机的并行接口模块，按照8080时序驱动SSDl926芯片，实现数据输入/输出、数据存储、数据处理及传输等功能。

SSDl926是一款中小规模的显示控制芯片，支持SRAM接口与ARM系列连接、ISA接口与NEC系列连接外，还支持8/16位8080时序间接寻址方式，能够方便地与各种具有并口的MCU连接。

单片机通用I/O口可模拟控制信号的时序，数据总线也可直连。SSD1926对接收到的数据进行处理之后，再通过与LCD的接口驱动彩色液晶屏即可进行显示。

硬件框图如图2.10所示。

图2.10触摸屏驱动接口框图

2.4.2 软件设计

智能显示终端能直接控制所有家电的工作，因此信号输入的准确性至关重要，然而A/D采样信号为模拟量输入，还是易到现场环境的电磁干扰。为了避免误动作，我们拟设计了抗干扰算法。

本算法中首先对X相电压进行两次采样，每次采样过程中都要检验相电压是否为零（即是否存在输入），然后将两次采样的结果进行比较，当发现采集到的X相电压不相等时，说明是误动作，程序将不予理睬，将相电压视为零。在X相电压满足输入后，再对Y相电压进行同样的处理，只有在两次比较之后得到稳定电压的情况下，程序才将这次输入为有效输入，再执行相应功能。具体流程见图2.11。

用户的输入操作完全只需点击屏幕，当相应事件触发时，系统就会根据输入自动判断，进而更新界面，提醒用户，然后调用子函数，执行相应操作。

程序首先对SSD1926进行初始化，然后进入坐标检测状态，当执行预处理算法并发现有坐标变化时，程序进入消息处理模式，然后调用已存图片建立新的页面，相应的子函数功能程序也将被调用，从而完成了一次程序响应。触摸屏的主流程图见图2.12。

图2.11 抗干扰算法流程图

图2.12 触摸屏主程序流程图

2.5 电源模块

由于本设计中的智能显示终端在家庭环境中一般固定安放，故采用外接电源供电。但是考虑到通过稳压电源的电压在市电不稳（如浪涌，雷击）的情况下，可能会发生波动，因此加入了稳压芯片进一步稳定电压。采用9V外接电源加LM1117，能稳定输出3.3V的电压，稳压电源设计原理图见图2.13。

另外，市电供电异常时，系统将无电源输入，从而影响程序正常工作，丢失数据，严重影响系统的正常运行。因此，本设计对电源模块采取冗余措施，使用稳压电源加电池供电的双电源供电方案。在断电时，智能终端将自动切换到电池供电方式，保证系统的正常运行。

对于冗余方案，本设计拟采用TI公司的TPS2421，该芯片采用大功率的MOSFET管来阻断不同电源和负载直接的连接，MOSFET的导通内阻可以到几mΩ，能大大降低压降损耗，无需散热器，可节省电路板面积。双路电源以并联方式接入，正常情况下可同时对负载进行供电，当断电引起稳压电源掉电时，系统自动切换到电池供电模式，而由于MOSFET的反相高阻特性，稳压电源不会受到反向冲击电压的影响。当市电恢复供电后，系统再次进入双电源供电模式，从而实现了电源的不间断供电。冗余电源设计原理图见图2.14。

图2.13 稳压电源设计原理图

图2.14 冗余电源设计原理图

3 智能插座

随着智能电网的发展，电表成为家庭用电的智能终端已是大势所趋。插座作为用电设备控制的最基本单元，将会起到越来越重要的作用，因此本设计中的智能插座，嵌入了单片机，实现电能测量和数据通讯，智能控制等功能。

3.1 硬件设计

通过电压采集，电流采集和温度采集对用电设备的工作电压、工作电流以及插座内部环境温度进行监测，并在LCD上实时显示，以便实时读取信息。此外，设计中嵌入了Zigbee模块，能与智能显示终端实时通讯，将用电异常信息和控制执行结果反馈给智能显示终端，实现数据的双向传输。

当发现过电压，过电流，过功率或者内部温度过高等异常情况时，处理器将控制继电器动作，断开该路电源，并发送异常信息给智能终端。智能终端以短信的方式告知用户。当收到智能显示终端的预启动和预关闭命令时，智能插座也将执行相应动作，并将执行结果反馈给智能显示终端。

系统的整体框图如图3.1所示。

图3.1 系统整体框图

温度测量使用DS1624，电压电流采样使用低成本的电阻网络法，采集信息由液晶1602显示，Zigbee无线通讯模块在上一章已经介绍，下面详述电源供电方案设计。

对于智能插座，显然外接稳压电源的方式，已经不再适用。为减少连线以兼容传统插座外观，必须从火线和零线中取电，得到满足单片机和各个子模块的供电电压。传统的取电方法是通过变压器隔离加稳压芯片，但考虑到变压器的体积过大，影响智能插座的外观和实用性，因此本设计拟选用一种简单可靠的阻容降压法，可以满足系统需求。市电通过电容C1的阻抗分压，然后D1和D2构成半波整流电路，稳压二极管D3得到的浮动直流电压，经过LM317的线性稳压后能得到稳定的5V输出。硬件电路如图3.2所示。

图3.2 阻容电源设计原理图

4 软件总体流程

本系统智能显示终端和智能插座中各嵌入了单片机，其中智能显示终端中为主控单片机，智能插座中为从控单片机，因此，需要分别对二者进行软件设计。

4.1主控单片机软件设计

1 主程序设计。程序开始后，主控单片机首先需要对管理的各个模块，以及IO口进行初始化配置，然后进入监测状态。单片机将不断读取从智能插座传送过来的用电信息，并保存到自己的RAM中。RAM中会预留一段存储空间来保存用电信息，当用电信息超过RAM空间时，数据将刷新一次，覆盖原有数据空间。然后，单片机判断是否有来自上方GSM的短信指令，若有，则执行短信接收命令，进入串口中断接收状态。接着，单片机判断触摸屏是否有输入，若有，执行触屏操作程序。最后单片机判断是否有来自下方智能插座的反馈信息，若有，则将该信息编码发送至GSM模块，否则进入下一次循环。

2 串口中断设计。串口中断首先接收完整的短信指令，然后进行短信解析，从中提取用户的短信信息。然后分析指令内容，根据不同的指令执行相应功能。

3 定时器中断。定时器中断配合串口进行数据接收，以防传输数据锁死。当在指定时间段内没有接收到数据时，定时器中断将结束本次接收任务。

主控单片机的流程图如图4.1所示。