无线网的家庭能耗管理系统的设计软件部分
目 录
1 引言 1
1.1 课题背景及其意义 1
1.2 国内外发展 1
1.3 本课题研究的内容 1
2 系统方案及硬件设计概况 2
2.1 多用户电能表的通信方案的选择 2
2.2 系统技术指标要求 3
2.3 系统总体方案设计 3
3 系统软件设计与实现 5
3.1主控MCU功能软件设计 7
3.2 ZigBee通讯功能模块软件 13
3.3 上位机终端程序设计 21
4 系统测试 23
4.1 电压检测调试 23
4.2 ZigBee控制节点的串口通信实现 24
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
附 录 1 28
附 录 2 33
1 引言
1.1 课题背景及其意义
大量石油、煤炭这样的化石能源的使用由此而产生的二氧化碳导致了温室效应，也由此导致了全球气候变暖，给我们人类带来了生死攸关的挑战。 提高能源利用效率已经成为世界能源发展的新方向，节能减排已成为中国应对气候变化、解决能源和环保问题的首要选择。近期国际上，以美欧为主要核心国家的关于“智能家庭能源管理系统”的研讨已成为热门话题，进行了热烈的讨论。
为了可以在以后的生活中可以适应经济方面、社会方面的发展需求，我们需要更大范围的开展以及支持节能减排工作，发展低碳经济，提升供电质量和服务水平。
1.2 国内外发展
美国家庭生活用电的技术和产品可视 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
化逐渐成为一个热门话题。家庭的能源管理系统(HEMS)使用户可以随时随地了解到家里的用电情况以及可以比较与其他家庭的用电情况。
日本有着特殊的地理环境，自然灾害频繁，日本迫切需要的是在综合能源管理系统上有所突破。随着家庭储能系统的热销，致使可以实现家庭电量消费精确管理的家庭能源管理系统成为了热点。
2011年4月日本某公司设计了环保住宅“SMART HEIM”标配太阳能发电系统和家庭能源管理系统。这套系统的MCU可以探测到配电盘上每一条线路的耗电量以及太阳能发电系统的发电量等相关数据。系统将所得到的数据通过外部服务器发送出去，而用户可以通过联网的电脑以及智能手机来接受来自服务器发送来的用电情况。
来自某公司的预测，估计了到2018年HEMS的销售量将从2011年的450万个单位增加到了4370万个。同时，2016年家庭能源管理系统的销售额从3.836亿增加到了21亿。
1.3 本课题研究的内容
长时间的家庭用电都是机械化的、效率低、能源利用率低，缺少安全性、缺少人性化。本文所设计的系统，来源自对生活的观察，对家庭用电存在的弊端，以及可以提升的地方做了改进和提升。
无线网的家庭能耗管理系统设计采用了ZigBee的无线传输协议，其模块采用CC2530芯片，电参数的采集模块采用了电压互感器、ACS712模块。课题研究ZigBee 协议的原理及应用。主要包括 ZigBee 协议的框架和组网技术。
设计智能处理单元，主控单片机的设计以STC12系列为核心，它是一个智能数据采集处理和控制单元。详细设计了数据采集、数据处理、实时时钟电路和显示驱动电路。
用电侧从被动参向主动调控转变，是智能电网发展的方向。本文从系统，科学的观点出发,充分考虑用电侧需求,在不降低生活质量的情况下，设计了一套基于无线网的家庭能耗管理系统,通过CC2530，STM32等硬件实现对用电参数的测量，存储，传输，显示，查询，引导用户采取适当的节电措施同时使用户养成良好的用电习惯。
2 系统方案及硬件设计概况
2.1 系统通信方案的选择
现在的家庭能源管理系统通信主要有以下几种方式:
1．双绞线方式。它属于总线式通信方式，包括RS485或RS422总线，其技术成熟、简单，良好的抗电磁干扰能力，通讯可靠性和稳定性很高，但是它在实际应用中有着自身的缺点，如：布线工作量大，通讯信道也容易受到破坏，受到破坏后不容易维修和恢复等。
2．电话线通信方式。自从电话出现以来，电话线的通信方式也被推广。电话线通信方式是通过电话网和电力部门通信的，通信信号还需要通过调制解调器进行处理
。这种通信方式的优点是不用投入资金对现有的电话线网络进行调整，同时又有很高的通讯质量，而供家用的电话慢慢逐渐减少，势必会影响电话线通信的方式大范围的推广。
3．电力线载波通信方式。它利用电力线，实现将信号传输。优点是易施工、成本低、不需要重新布线，使得它在通信系统中被广泛的应用。但电力线载波信号在实际应用中存在着高噪声、低阻抗、波动大等缺点。电力线载波技术的可靠性还有待于提高。
4．ZigBee通信方式。它是基于IEEE802.15.4 无线 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
标准而研发的技术，可以实现在近范围内做无线数据传送。它有主要有三种网络拓扑结构：星型、网络、树形。具有
它支持星型、网型、树形三种主要的自组织无线网络类型，其安装成本比较低，可以避免人为破坏。较其它有线技术比较该技术方案属比较成熟的常规技术，有着有线技术无法相比的优点，非常适合用于小区之间，一个小区几栋楼或是十几栋楼之间的通信。
系统最终采用ZigBee通信方式，原因如下：
（1）本设计用于居民小区为主，节点间距离不大。
（2）减少了布线的困难及成本。
（3）其抗干扰性能足够满足环境的要求。
2.2 系统技术指标要求
本课题的主要研究目标是设计一款具有市场推广意义的家庭智能电能管理产品，预期设计的样机能够完全满足国家电网公司统一招标中的各项技术条件要求，具体的技术指标要求如下：
(1)时钟误差：≤0.5s/d
(2)电压规格：220V
(3)电流规格：1.5（6）A
(4)工作频率范围：45Hz～55Hz
(5)工作电压范围：0.8Un～1.2Un
(6)工作温度范围：－25 ℃ ~+50℃
(7)工作相对湿度范围：5%~95%
2.3 系统的总设计方案
本系统采用了电压互感器、霍尔传感器分别测量待测电压、电流，采用STC12系列自带的AD转换接口，实现快速采样，多次测量，计算出欲求数据。ZigBee终端节点接收来自传感器节点的数据，并将数据通过串口传送给STM32并显示。
IP|=PADC;
EA=1;//开总中断
}
程序对ADC的寄存器做了初始化，程序选择p1.0-p1.5作为模拟功能A/D使用，程序实现0.1ms采集一次电压值，如果输入的交流电的频率为50HZ，则在一个周期内程序将采集200次，大量的数据有助于测量数据的精确度。
{
1 引言 1
1.1 课题背景及其意义 1
1.2 国内外发展 1
1.3 本课题研究的内容 1
2 系统方案及硬件设计概况 2
2.1 多用户电能表的通信方案的选择 2
2.2 系统技术指标要求 3
2.3 系统总体方案设计 3
3 系统软件设计与实现 5
3.1主控MCU功能软件设计 7
3.2 ZigBee通讯功能模块软件 13
3.3 上位机终端程序设计 21
4 系统测试 23
4.1 电压检测调试 23
4.2 ZigBee控制节点的串口通信实现 24
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
附 录 1 28
附 录 2 33
1 引言
1.1 课题背景及其意义
大量石油、煤炭这样的化石能源的使用由此而产生的二氧化碳导致了温室效应，也由此导致了全球气候变暖，给我们人类带来了生死攸关的挑战。 提高能源利用效率已经成为世界能源发展的新方向，节能减排已成为中国应对气候变化、解决能源和环保问题的首要选择。近期国际上，以美欧为主要核心国家的关于“智能家庭能源管理系统”的研讨已成为热门话题，进行了热烈的讨论。
为了可以在以后的生活中可以适应经济方面、社会方面的发展需求，我们需要更大范围的开展以及支持节能减排工作，发展低碳经济，提升供电质量和服务水平。
1.2 国内外发展
美国家庭生活用电的技术和产品可视 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
化逐渐成为一个热门话题。家庭的能源管理系统(HEMS)使用户可以随时随地了解到家里的用电情况以及可以比较与其他家庭的用电情况。
日本有着特殊的地理环境，自然灾害频繁，日本迫切需要的是在综合能源管理系统上有所突破。随着家庭储能系统的热销，致使可以实现家庭电量消费精确管理的家庭能源管理系统成为了热点。
2011年4月日本某公司设计了环保住宅“SMART HEIM”标配太阳能发电系统和家庭能源管理系统。这套系统的MCU可以探测到配电盘上每一条线路的耗电量以及太阳能发电系统的发电量等相关数据。系统将所得到的数据通过外部服务器发送出去，而用户可以通过联网的电脑以及智能手机来接受来自服务器发送来的用电情况。
来自某公司的预测，估计了到2018年HEMS的销售量将从2011年的450万个单位增加到了4370万个。同时，2016年家庭能源管理系统的销售额从3.836亿增加到了21亿。
1.3 本课题研究的内容
长时间的家庭用电都是机械化的、效率低、能源利用率低，缺少安全性、缺少人性化。本文所设计的系统，来源自对生活的观察，对家庭用电存在的弊端，以及可以提升的地方做了改进和提升。
无线网的家庭能耗管理系统设计采用了ZigBee的无线传输协议，其模块采用CC2530芯片，电参数的采集模块采用了电压互感器、ACS712模块。课题研究ZigBee 协议的原理及应用。主要包括 ZigBee 协议的框架和组网技术。
设计智能处理单元，主控单片机的设计以STC12系列为核心，它是一个智能数据采集处理和控制单元。详细设计了数据采集、数据处理、实时时钟电路和显示驱动电路。
用电侧从被动参向主动调控转变，是智能电网发展的方向。本文从系统，科学的观点出发,充分考虑用电侧需求,在不降低生活质量的情况下，设计了一套基于无线网的家庭能耗管理系统,通过CC2530，STM32等硬件实现对用电参数的测量，存储，传输，显示，查询，引导用户采取适当的节电措施同时使用户养成良好的用电习惯。
2 系统方案及硬件设计概况
2.1 系统通信方案的选择
现在的家庭能源管理系统通信主要有以下几种方式:
1．双绞线方式。它属于总线式通信方式，包括RS485或RS422总线，其技术成熟、简单，良好的抗电磁干扰能力，通讯可靠性和稳定性很高，但是它在实际应用中有着自身的缺点，如：布线工作量大，通讯信道也容易受到破坏，受到破坏后不容易维修和恢复等。
2．电话线通信方式。自从电话出现以来，电话线的通信方式也被推广。电话线通信方式是通过电话网和电力部门通信的，通信信号还需要通过调制解调器进行处理
。这种通信方式的优点是不用投入资金对现有的电话线网络进行调整，同时又有很高的通讯质量，而供家用的电话慢慢逐渐减少，势必会影响电话线通信的方式大范围的推广。
3．电力线载波通信方式。它利用电力线，实现将信号传输。优点是易施工、成本低、不需要重新布线，使得它在通信系统中被广泛的应用。但电力线载波信号在实际应用中存在着高噪声、低阻抗、波动大等缺点。电力线载波技术的可靠性还有待于提高。
4．ZigBee通信方式。它是基于IEEE802.15.4 无线 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
标准而研发的技术，可以实现在近范围内做无线数据传送。它有主要有三种网络拓扑结构：星型、网络、树形。具有
它支持星型、网型、树形三种主要的自组织无线网络类型，其安装成本比较低，可以避免人为破坏。较其它有线技术比较该技术方案属比较成熟的常规技术，有着有线技术无法相比的优点，非常适合用于小区之间，一个小区几栋楼或是十几栋楼之间的通信。
系统最终采用ZigBee通信方式，原因如下：
（1）本设计用于居民小区为主，节点间距离不大。
（2）减少了布线的困难及成本。
（3）其抗干扰性能足够满足环境的要求。
2.2 系统技术指标要求
本课题的主要研究目标是设计一款具有市场推广意义的家庭智能电能管理产品，预期设计的样机能够完全满足国家电网公司统一招标中的各项技术条件要求，具体的技术指标要求如下：
(1)时钟误差：≤0.5s/d
(2)电压规格：220V
(3)电流规格：1.5（6）A
(4)工作频率范围：45Hz～55Hz
(5)工作电压范围：0.8Un～1.2Un
(6)工作温度范围：－25 ℃ ~+50℃
(7)工作相对湿度范围：5%~95%
2.3 系统的总设计方案
本系统采用了电压互感器、霍尔传感器分别测量待测电压、电流，采用STC12系列自带的AD转换接口，实现快速采样，多次测量，计算出欲求数据。ZigBee终端节点接收来自传感器节点的数据，并将数据通过串口传送给STM32并显示。
IP|=PADC;
EA=1;//开总中断
}
程序对ADC的寄存器做了初始化，程序选择p1.0-p1.5作为模拟功能A/D使用，程序实现0.1ms采集一次电压值，如果输入的交流电的频率为50HZ，则在一个周期内程序将采集200次，大量的数据有助于测量数据的精确度。
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