專利名稱：一種面向智能用電的通信與控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種面向智能用電的通信與控制系統(tǒng)，特別涉及ー種綜合應用遠程無線通信技術，互聯(lián)網(wǎng)技術，無線局域網(wǎng)技術，電能量測技術，智能控制技術的智能電網(wǎng)用戶端集控系統(tǒng)。
背景技術：
從2009年開始，國家電網(wǎng)公司提出了智能電網(wǎng)的發(fā)展計劃，其內涵是以堅強網(wǎng)架為基礎，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，實現(xiàn)電 カ系統(tǒng)從發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環(huán)節(jié)的智能感知、智能識別、智能控制的功能，實現(xiàn)“電カ流、信息流、業(yè)務流”的高度一體化融合。智能電網(wǎng)可以整合系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，優(yōu)化電網(wǎng)的管理，將電網(wǎng)提升為互動運轉的全新模式，提高整個電網(wǎng)的可靠性、可用性和綜合效率。在智能電網(wǎng)建設中，家庭用電系統(tǒng)的智能化改造是其重要環(huán)節(jié)。智能用電深入到千家萬戶，是智能電網(wǎng)服務質量及管理效益的集中體現(xiàn)。2011年國家科技部開展了國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)智能電網(wǎng)重大專項的研究，其中涉及智能用電方面的研究占有相當大比例。我國的智能用電重點關注雙向互動服務、用電信息采集、智能用電服務、電動汽車充放電、智能量測五個關鍵技術領域，用電端的智能化改造正是智能電網(wǎng)建設的重要內容之一。中國家用電器研究院在智能用電控制器、家庭能源管理系統(tǒng)、電カ載波通訊模塊、緑色家電標準幾個方面開展了長期專項研究，并與深圳市國電科技通信有限公司、北京達華世紀低碳研究院及瑞薩電子有限公司共同成立了北京智能用電研究中心，開展了智能用電領域技術與產(chǎn)品研究，推動了智能電網(wǎng)與智能家庭的融合，不斷適應物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求，為我國智能用電的大力普及打下了良好基礎。然而，就目前而言，我國電カ系統(tǒng)在家庭用電環(huán)節(jié)仍以傳統(tǒng)用電方法為主，只是在量測技術和遠程抄表方面有初步應用，缺少具有實用性的家庭用電智能控制和雙向通信的產(chǎn)品面世，阻礙了智能電網(wǎng)向用電領域的延伸進程。
發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術中的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種實現(xiàn)家庭用電系統(tǒng)與電力管理信息的實時通信、按需用電、交互設置、遠程控制功能的面向智能用電的通信與控制系統(tǒng)。為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用了如下技術方案
一種面向智能用電的通信與控制系統(tǒng)，包括核心電路板、家庭智能插座模塊和家用電器智能遙控模塊；
所述核心電路板以C8051R)20單片機為控制核心，完成通信、控制及用戶交互功能；該核心電路板包括遠程通信模塊、WIFI通信模塊、存儲模塊、時鐘模塊、電源模塊、智能電表接口和微控制器MCU ；
所述遠程通信模塊采用3G遠程通信模塊，3G遠程通信模塊通過插座連接C8051F020單片機，對C8051F020單片機的串ロ I進行擴展，在C8051F020單片機控制下建立網(wǎng)絡連接，獲取公網(wǎng)IP地址；
所述WIFI通信模塊通過緩沖器接ロ與C8051F020單片機串ロ O連接，以Adhoc方式組成無線局域網(wǎng)實現(xiàn)家庭內部的數(shù)據(jù)傳輸，WIFI通信模塊由C8051R)20單片機控制；
所述存儲模塊由FLASH存儲芯片組成，與C8051F020單片機的GPIO ロ連接形成擴展存儲器，通過C8051F020單片機程序進行讀寫，用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲；
所述時鐘模塊提供時鐘脈沖信號作為C8051F020單片機的工作時鐘；
所述電源模塊分別為3G遠程通信模塊和C8051F020單片機提供電源；
所述智能電表接ロ對C8051F020單片機串ロ O進行擴展，智能電表接ロ通過RS232-485接ロ轉換器與具有RS485總線接ロ的家用智能電表連接，接收電表的電量、功率信息，用于家用電器的總能耗分析，用電計劃制定，并通過3G遠程通信模塊上傳到電カ管理信息中心實現(xiàn)遠程抄表；
所述微控制器MCU由C8051F020單片機承擔，并對遠程通信模塊、WIFI通信模塊、存儲模塊、時鐘模塊、電源模塊和智能電表接ロ進行控制；
所述家庭智能插座模塊包括單片機I、WIFI模塊I和計量模塊，由核心電路板通過WIFI模塊I以Adhoc組網(wǎng)方式接收控制命令實現(xiàn)電源通斷控制，并由計量模塊獲得瞬時功率信息判斷用電設備的運行狀況，實現(xiàn)保護控制，并將信息傳輸?shù)胶诵碾娐钒宕鎯?，作為用電方案的制定依?jù)；
所述單片機I由C8051F020單片機承擔，通過串ロ對WIFI模塊I的控制實現(xiàn)無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)，采用ADC接ロ實現(xiàn)計量模塊的信息采集，通過C8051F020單片機的GPIO ロ控制繼電器，實現(xiàn)插座的電源通斷控制；
所述WIFI模塊I通過串ロ與C8051F020單片機連接，接收控制命令實現(xiàn)網(wǎng)絡連接，完成信息傳輸；
所述計量模塊完成對插座的電壓電流取樣與濾波，去除干擾，并傳輸?shù)紺8051F020單片機；
所述家用電器智能遙控模塊包括單片機II、WIFI模塊II和電子開關，單片機II通過WIFI模塊II接收核心電路板發(fā)送的控制命令，并驅動電子開關控制家電遙控器，實現(xiàn)對家用電器的啟?？刂坪瓦\行狀況設置；
所述單片機II由C8051F020單片機承擔，通過串ロ對WIFI模塊II的控制實現(xiàn)無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)，通過C8051F020單片機的GPIO ロ連接電子開關控制遙控器；
所述WIFI模塊II通過串ロ與C8051F020單片機連接，接收控制命令實現(xiàn)網(wǎng)絡連接；
所述電子開關的輸入端與C8051F020單片機的GPIO ロ連接，接收C8051F020單片機發(fā)出的控制信息，電子開關的輸出端連接家電遙控器的鍵盤引腳，通過對輸入信息的譯碼實現(xiàn)按鍵的通斷；
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述3G遠程通信模塊采用定時驅動方式作為客戶終端向遠程服務器發(fā)送請求，以IP地址方式建立網(wǎng)絡連接。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的一種面向智能用電的通信與控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點
I、本發(fā)明的一種面向智能用電的通信與控制系統(tǒng)，與其它同類系統(tǒng)相比，采用了 3G遠程通信模塊技術實現(xiàn)遠程傳輸，采用基于C8051F020單片機的Web服務器技術實現(xiàn)用戶信息交互，采用基于Adhoc架構的無線局域網(wǎng)技術實現(xiàn)控制系統(tǒng)與智能插座和家用電器遙控設備的信息交換，具有先進性和實用性并易于擴展。2、由3G遠程通信模塊與互聯(lián)網(wǎng)連接，接收電カ管理部門的實時電價、停電通知等管理信息，接收小區(qū)物業(yè)管理信息，接收遠程用戶通過移動終端(手機)發(fā)送的查詢與控制信息；由WIFI無線局域網(wǎng)傳輸模塊控制智能插座和家電啟停，實現(xiàn)電能測量、質量分析和安全保護；由Web頁面完成用戶交互與參數(shù)設置；接收家庭智能電表的用電信息實現(xiàn)遠程抄表功能，從而實現(xiàn)智能電網(wǎng)在家庭用電端的負載均衡、削峰填谷、智能控制、用電管理功倉^:。3、對家庭用電環(huán)節(jié)的智能化改造，需要充分考慮目前用電設備的實際情況及發(fā)展趨勢，開發(fā)既滿足發(fā)展需求又符合應用現(xiàn)狀的實用性設備，降低成本，減少家庭的重復投資，為智能用電的廣泛實施提供助力。
圖I為ー種面向智能用電的通信與控制系統(tǒng)的結構示意 圖2微控制器MCU控制程序的流程 圖3為家用智能插座模塊的結構示意 圖4為家用電器智能遙控模塊的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進ー步詳細地描述。如圖I所示，一種面向智能用電的通信與控制系統(tǒng)，包括核心電路板、家庭智能插座模塊和家用電器智能遙控模塊。I、核心電路板以C8051F020單片機為控制核心，完成通信、控制及用戶交互功能。該核心電路板包括遠程通信模塊、WIFI通信模塊、存儲模塊、時鐘模塊、電源模塊、智能電表接口和微控制器MCU。其中，遠程通信模塊，采用3G遠程通信模塊，3G遠程通信模塊通過插座連接C8051F020單片機，對C8051F020單片機的串ロ I進行擴展，在C8051F020單片機控制下建立網(wǎng)絡連接，獲取公網(wǎng)IP地址。該遠程通信模塊具有如下兩項功能①采用定時驅動方式，作為客戶終端向遠程服務器發(fā)送請求，以IP地址方式建立網(wǎng)絡連接，分別獲取電カ管理部門的實時電價、停電通知或小區(qū)物業(yè)管理部門的管理信息，用于用戶交互并參與家庭用電的智能控制，井根據(jù)請求向電カ管理部門發(fā)送累計用電量與實時功率等信息；②遠程通信模塊可接受遠程PC或移動終端(手機)的遠程訪問，結合存儲器中設計的HTML頁面構成Web服務器。HTML頁面是一個用戶交互界面，一方面可以向用戶展示電カ部門和小區(qū)物業(yè)的管理信息，另ー方面可以匯報各用電設備的使用狀況、功率、用電量及金額累計，還可以接收用戶的參數(shù)設置及對設備的啟?？刂啤IFI通信模塊，通過緩沖器接ロ與C8051F020單片機串ロ O連接，以Adhoc方式組成無線局域網(wǎng)實現(xiàn)家庭內部的數(shù)據(jù)傳輸。WIFI通信模塊由C8051R)20單片機編程控制，在定時器控制下與家庭的智能插座、家用電器啟?？刂频腤IFI終端建立連接，發(fā)送查詢與控制命令，獲取用電信息，還可以與在信號覆蓋范圍內的移動終端(手機)建立通信連接，通過前述的HTML頁面實現(xiàn)用戶交互。存儲模塊，由FLASH存儲芯片組成，與C8051F020單片機的GPIO 口連接形成擴展存儲器，通過C8051F020單片機程序進行讀寫，用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲。存儲內容包括HTML頁面框架、用戶設定參數(shù)、歷史用電信息、電力管理信息。時鐘模塊，由22MHz的有源晶振承擔，提供22MHz的時鐘脈沖信號作為C8051F020單片機的工作時鐘。電源模塊，從外部電源插座接收5V直流電源，經(jīng)過內部DC-DC變換生成4V與3. 3V直流電壓，分別為3G遠程通信模塊和C8051F020單片機提供電源。智能電表接口，對C8051F020單片機串口 O進行擴展，智能電表接口通過 RS232-485接口轉換器與具有RS485總線接口的家用智能電表連接，接收電表的電量、功率信息，用于家用電器的總能耗分析，用電計劃制定，并通過3G遠程通信模塊上傳到電力管理信息中心實現(xiàn)遠程抄表。微控制器MCU，由C8051F020單片機承擔，編寫程序完成系統(tǒng)的初始化，并對遠程通信模塊、WIFI通信模塊、存儲模塊、時鐘模塊、電源模塊和智能電表接口進行控制，包括遠程連接請求與信息傳輸、遠程請求偵聽與信息獲取、智能電表信息采集與家用電器用電方案制定與控制，微控制器MCU控制程序流程如圖2所示。C8051R)20單片機的內部RAM用于各功能模塊的信息交換，包括設備運行狀況、實時電價、瞬時功率等臨時信息。核心電路板是整個系統(tǒng)的通信與控制中心，如圖I所示。采用C8051R)20單片機為核心控制芯片，通過對其串行口的擴展連接外圍設備，其中串口 I連接華為MU203 3G遠程通信模塊，串口 O通過緩沖器連接03型UART-WIFI無線通信模塊以及家用智能電表。通過C8051F020單片機的GPIO 口擴展64k FLASH存儲器，用于存放Web頁面框架、用戶設定的用電參數(shù)、歷史用電信息及電力部門發(fā)布的管理信息。電路板的供電通過電源模塊從外部電源插座接收5V直流電源，經(jīng)過內部DC-DC變換生成4V與3. 3V直流電壓，分別為3G模塊及單片機系統(tǒng)提供電源。利用3G遠程通信模塊與Internet連接，實現(xiàn)與遠程服務中心和用戶移動終端的連接，并通過WIFI無線通信模塊與家庭智能插座模塊和家用電器智能遙控模塊構成家庭無線局域網(wǎng)絡，實現(xiàn)遠程信息交互、抄表、請求響應和家電設備的智能控制，是一種智能電網(wǎng)在家庭用電領域的延伸設備。2、家庭智能插座模塊，如圖3所示，包括單片機I、WIFI模塊I和計量模塊，由核心電路板通過WIFI模塊I以Adhoc組網(wǎng)方式接收控制命令實現(xiàn)電源通斷控制，并由計量模塊獲得瞬時功率信息判斷用電設備的運行狀況，實現(xiàn)保護控制，并將信息傳輸?shù)胶诵碾娐钒宕鎯Γ鳛橛秒姺桨傅闹贫ㄒ罁?jù)。其中，單片機I，由C8051F020單片機承擔，通過串口對WIFI模塊I的控制實現(xiàn)無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)，采用ADC接口實現(xiàn)計量模塊的信息采集，通過C8051F020單片機的GPIO口控制繼電器，實現(xiàn)插座的電源通斷控制。WIFI模塊I，通過串口與C8051F020單片機連接，接收控制命令實現(xiàn)網(wǎng)絡連接，完成信息傳輸。計量模塊，完成對插座的電壓電流取樣與濾波，去除干擾，并傳輸?shù)紺8051F020單片機采集并完成功率計算。
家庭智能插座模塊是一個向家用電器供電的電源插座，以C8051F020單片機為控制核心，通過WIFI接口與核心電路板通信，可以接收控制命令控制繼電器通斷，還可以對瞬時用電功率進行計量，上傳核心電路板進行用電協(xié)調，并分析家電工作狀態(tài)，實施臨時斷電，保護用電設備。3、家用電器智能遙控模塊，如圖4所示，包括單片機II、WIFI模塊II和多路電子開關，單片機II通過WIFI模塊II接收核心電路板發(fā)送的控制命令，并驅動電子開關控制家電遙控器，實現(xiàn)對家用電器的啟?？刂坪瓦\行狀況設置。其中，單片機II，由C8051F020單片機承擔，通過串口對WIFI模塊II的控制實現(xiàn)無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)，通過C8051F020單片機的GPIO 口連接多路電子開關控制遙控器，模擬按鍵操作。WIFI模塊II，通過串口與C8051F020單片機連接，接收控制命令實現(xiàn)網(wǎng)絡連接，完成信息傳輸。 多路電子開關，輸入端與C8051F020單片機的GPIO 口連接，接收C8051F020單片機發(fā)出的控制信息，電子開關的輸出端連接家電遙控器的鍵盤引腳，通過對輸入信息的譯碼實現(xiàn)按鍵的通斷，模擬手工遙控操作，實現(xiàn)對家用電器的運行控制。家用電器智能遙控模塊是一個對家用遙控器的改裝部件，該模塊目的是解決目前許多家用電器在上電后還需要使用遙控器控制具體運行的問題。仍以C8051F020單片機為控制核心，通過WIFI接口與核心電路板通信，用于接收核心電路板的控制命令控制家用電器的啟停。將原始遙控器的按鍵引腳用排線引出，連接到多路電子開關。C8051R)20單片機通過GPIO接口控制多路電子開關，模擬人為按鍵，從而實現(xiàn)對家電運行的遠程控制。該面向智能用電的通信與控制系統(tǒng)所含的三個模塊都使用了 C8051R)20單片機，都需要軟件支撐，如圖2所示。軟件負責完成整個系統(tǒng)的自檢與初始化；通過串行口 I發(fā)送3G遠程通信模塊的AT命令集，完成網(wǎng)絡注冊并獲取IP地址；通過串口 O發(fā)送WIFI模塊的AT命令集，建立與智能插座和遙控終端的無線連接；完成存儲器規(guī)劃，建立公共存儲區(qū)作為信息交換池用于所有任務之間的信息交換；設置Web服務器并建立HTML頁面，與IP地址關聯(lián)供遠程訪問；啟動定時器工作，采用定時中斷信號作為依據(jù)實現(xiàn)多任務的時間分配和協(xié)調運行。其任務包括四項
(I)依據(jù)IP地址向遠程電力控制中心或小區(qū)物業(yè)管理部門建立連接，發(fā)送用電量等相關信息并接收實時電價等廣播信息，放入信息交換池。具體的通信協(xié)議以電力部門或物業(yè)管理部門頒布的信息通信方式為標準制訂。(2) Web服務程序偵聽遠程連接，在通過密碼認證后，從信息交換池提取實時信息更新HTML頁面并發(fā)送。遠程用戶可查詢家庭用電狀況，并填寫頁面參數(shù)實施遠程控制。處理程序獲取回傳的控制參數(shù)放入信息交換池，作為對家用電器的控制依據(jù)。(3)智能電表讀取，通過C8051F020單片機串行口 O讀取家用智能電表的監(jiān)測信息，依據(jù)其數(shù)據(jù)手冊提取用電量、總功率等用電參數(shù)放入信息交換池，供分析和傳輸使用。(4)智能插座與家用電器控制任務首先從信息交換池獲取信息，根據(jù)電價信息、遠程請求和家電的運行狀況制定家電的使用策略，通過串行口 O建立的WIFI連接發(fā)送控制命令實現(xiàn)家用電器的遙控操作和插座的電源通斷，讀回智能插座傳送的用電參數(shù)，存入信息交換池供其它任務使用。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明 的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種面向智能用電的通信與控制系統(tǒng)，其特征在于包括核心電路板、家庭智能插座模塊和家用電器智能遙控模塊； 所述核心電路板以C8051R)20單片機為控制核心，完成通信、控制及用戶交互功能；該核心電路板包括遠程通信模塊、WIFI通信模塊、存儲模塊、時鐘模塊、電源模塊、智能電表接口和微控制器MCU ； 所述遠程通信模塊采用3G遠程通信模塊，3G遠程通信模塊通過插座連接C8051F020單片機，對C8051F020單片機的串口 I進行擴展，在C8051F020單片機控制下建立網(wǎng)絡連接，獲取公網(wǎng)IP地址； 所述WIFI通信模塊通過緩沖器接口與C8051F020單片機串口 O連接，以Adhoc方式組成無線局域網(wǎng)實現(xiàn)家庭內部的數(shù)據(jù)傳輸，WIFI通信模塊由C8051R)20單片機控制； 所述存儲模塊由FLASH存儲芯片組成，與C8051F020單片機的GPIO 口連接形成擴展存儲器，通過C8051F020單片機程序進行讀寫，用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲； 所述時鐘模塊提供時鐘脈沖信號作為C8051F020單片機的工作時鐘； 所述電源模塊分別為3G遠程通信模塊和C8051F020單片機提供電源； 所述智能電表接口對C8051F020單片機串口 O進行擴展，智能電表接口通過RS232-485接口轉換器與具有RS485總線接口的家用智能電表連接，接收電表的電量、功率信息，用于家用電器的總能耗分析，用電計劃制定，并通過3G遠程通信模塊上傳到電力管理信息中心實現(xiàn)遠程抄表； 所述微控制器MCU由C8051R)20單片機承擔，并對遠程通信模塊、WIFI通信模塊、存儲模塊、時鐘模塊、電源模塊和智能電表接口進行控制； 所述家庭智能插座模塊包括單片機I、WIFI模塊I和計量模塊，由核心電路板通過WIFI模塊I以Adhoc組網(wǎng)方式接收控制命令實現(xiàn)電源通斷控制，并由計量模塊獲得瞬時功率信息判斷用電設備的運行狀況，實現(xiàn)保護控制，并將信息傳輸?shù)胶诵碾娐钒宕鎯?，作為用電方案的制定依?jù)； 所述單片機I由C8051F020單片機承擔，通過串口對WIFI模塊I的控制實現(xiàn)無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)，采用ADC接口實現(xiàn)計量模塊的信息采集，通過C8051F020單片機的GPIO 口控制繼電器，實現(xiàn)插座的電源通斷控制； 所述WIFI模塊I通過串口與C8051F020單片機連接，接收控制命令實現(xiàn)網(wǎng)絡連接，完成信息傳輸； 所述計量模塊完成對插座的電壓電流取樣與濾波，去除干擾，并傳輸?shù)紺8051F020單片機； 所述家用電器智能遙控模塊包括單片機II、WIFI模塊II和電子開關，單片機II通過WIFI模塊II接收核心電路板發(fā)送的控制命令，并驅動電子開關控制家電遙控器，實現(xiàn)對家用電器的啟?？刂坪瓦\行狀況設置； 所述單片機II由C8051F020單片機承擔，通過串口對WIFI模塊II的控制實現(xiàn)無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)，通過C8051F020單片機的GPIO 口連接電子開關控制遙控器；所述WIFI模塊II通過串口與C8051F020單片機連接，接收控制命令實現(xiàn)網(wǎng)絡連接；所述電子開關的輸入端與C8051F020單片機的GPIO 口連接，接收C8051F020單片機發(fā)出的控制信息，電子開關的輸出端連接家電遙控器的鍵盤引腳，通過對輸入信息的譯碼實現(xiàn)按鍵的通斷。
2.根據(jù)權利要求I所述的面向智能用電的通信與控制系統(tǒng)，其特征在于所述3G遠程通信模塊采用定時驅動方式作為客戶終端向遠程服務器發(fā)送請求，以IP地址方式建立網(wǎng)絡連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向智能用電的通信與控制系統(tǒng)，包括核心電路板、家庭智能插座模塊和家用電器智能遙控模塊；核心電路板以C8051F020單片機為控制核心，完成通信、控制及用戶交互功能；家庭智能插座模塊通過WIFI模塊Ⅰ接收控制命令實現(xiàn)電源通斷控制，并由計量模塊獲得瞬時功率并判斷用電設備的運行狀況；家用電器智能遙控模塊通過WIFI模塊Ⅱ接收核心電路板發(fā)送的控制命令，并驅動電子開關控制家電遙控器。本發(fā)明采用了3G通信技術實現(xiàn)遠程傳輸，采用基于單片機的Web服務器技術實現(xiàn)用戶信息交互，采用基于Adhoc架構的無線局域網(wǎng)技術實現(xiàn)控制系統(tǒng)與智能插座和家電遙控設備的信息交換，具有先進性和實用性并易于擴展。
文檔編號G08C17/02GK102866699SQ20121038161
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月10日 優(yōu)先權日2012年10月10日
發(fā)明者毛玉星, 楊棟棋, 苗伽略, 汪泉霖, 何為 申請人:重慶大學