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外文翻译译文

基于WiFi的智能家居用电管理系统技术

丁杰^1*，吴敬英²，赵宣华³，王妙³，庞景玉³

¹南京师范大学，江苏南京，210046，中国

²浙江电力贸易中心有限公司，浙江杭州，310000，中国

³浙江华润信息技术有限公司，杭州，浙江，310052，中国

^*相应作者的电子邮件：540140028@qq.com

摘要：随着经济水平的不断发展和科技水平的不断提高，家用电器的不断发展和丰富，使得电网的负荷系数降低，峰时谷时的差距很大，影响了国家电网的稳定。本文介绍了WiFi技术、智能家居和需求响应的概念，以及WiFi技术的发展现状和趋势。然后，本文设计了一个基于WiFi技术和需求响应的智能家庭电源管理系统。本文介绍了该系统的总体结构、硬件设计和软件设计。通过该系统，用户可以实现高效、高效的生活环境，更好地参与需求响应。

关键词：家用电器；WiFi；智能家居；电源管理

引言

随着社会的进步和经济水平的提高，人们对电力的需求也在增加。同时，也带来了发电和电能浪费所造成的环境污染。因此，如何有效地控制用电已成为一个重要的研究课题。智能用电是智能电网的重要组成部分，在解决环境污染和资源短缺方面发挥着重要作用[1]。

随着科学技术的飞速发展，世界已经进入了信息时代。随着科技的不断进步，人们对生活条件的要求变得更加舒适、方便和安全，从而产生了智能建筑和房屋。智能家居通过家庭网络总线将与信息相关的家庭设备连接和监控到网络中，实现对网络的集中或远程监控。当前智能家居的发展趋势是集中控制向集散控制发展。目前有四种主要的无线技术，即蓝牙、WiFi、Z-Wave、ZigBee的应用智能。其中，WiFi和ZigBee是最具竞争力的[2]。

智能家居用电管理系统依靠需求响应技术和先进的测量系统技术，根据合适的电力优化策略，调度家用电器自动控制系统。因此，本文将结合智能电网的背景知识，利用需求响应和智能家居的相关知识，设计基于WiFi技术的智能家居用电管理系统。

WiFi技术

WiFi全称Wireless Fidelity，是一种802.11b无线网络规范，短距离无线传输技术，传输速度快，有效距离长。WiFi通常采用2.4G超高频或5G SHF ISM频段，当信号受到干扰时可以自动调整，在保证网络稳定时更可靠。

WiFi有两种模式：基础设施模式和临时模式。基础设施模式属于传统的ap模式。在无线网络中，只有一个中心点。其他节点访问中心点并通过中心点交换数据。adhoc模式是一种自组织网络模式，任何节点都可以在不经过中心点的情况下与其他节点通信。

智能家居

智能家居的概念起源于20世纪80年代初的美国，被称为智能家居。它经历了四代的发展：第一代通过同轴线和两个核心完成家庭网络，以实现照明、窗帘和少量的安全合作。 第二代是通过总线和ip技术联网，能够完成视频对讲和安全业务；第三代是集中式智能控制系统。 系统，由中央控制计算机完成安全、测量等功能；第四代是基于物联网的技术，可以根据用户的需要来实现 获得个性化特征[3]。

需求响应

需求响应(DR)被称为电力需求响应。当电力批发市场价格上涨或系统安全受到影响,电力公司将释放信号,电力价格上涨或降低了直接向用户负载补偿,从而指导用户更改原始的用电习惯,减少或转移电力负荷,达到峰值负载減少的目的,从而维持稳定的电网系统[4]。智能网格需求响应项目如图1所示。

目前，我国电力需求反应在市场环境和用户方面仍落后于国外发达国家。存在着基础设施建设成本高、补贴模式不足、需求反应标准体系需要完善、自动化程度有待提高等问题[5]。近年来，中国出台了一系列与需求反应相关的政策，支持其快速发展。未来发展需求响应不仅需要结合需求响应支持技术取得进步，还需要不断提高用户渗透率，借鉴国外先进经验，逐步发展我国的需求响应项目。

系统总体设计

在整个智能家居系统中，智能家居用电管理系统是智能家居的核心模块，可以作为智能需求响应的有效管理工具，也可以作为智能家居系统的核心模块。 作为与电网公司协调的工具，进行需求侧管理，通过转移电力负荷达到调峰的目的。智能家庭用电管理系统通过WiFi技术控制家庭电气设备的各个方面。它实时监测、控制和跟踪家庭生活环境，有助于提高社会整体效益，实现新的节能。实现了一种节能、安全、高效的新型家庭电源模式。

以Andriod系统为平台。该系统由中央处理单元、WiFi模块、以智能手机为载体的控制终端、智能控制系统、无线路由器和智能电源终端组成。该智能控制系统可实现实时电价查询、电力数据查询、参数设置、远程控制、电源管理等功能。最后，Andriod系统智能手机可以通过WiFi网络控制家用电器。无线路由器是在电源管理平台、智能电源终端和WiFi之间传输信息的媒介。智能插座是电源终端的执行单元，负责控制家用电气设备的开关[6]。系统的总体结构如图2所示。

本文选用STM 32核心控制器作为中央处理器，高通的QCA 9531芯片作为WiFi模块，基于Andriod系统的Android平台作为控制终端。

图1 需求响应项目分类

图2 智能家居用电管理系统的总体设计

系统硬件设计

中央处理器的主要作用是与主机进行信息传输，接收来自控制终端的实时操作指令，解析并执行相应的工作。系统采用STM32F107处理器和QCA 9531型WiFi无线通信模块。STM32F107处理器主要通过串口实现与WiFi无线通信模块的数据通信，为WIFI无线模块提供5V电源。在该系统中，核心控制器的功能是从无线通信模块和智能终端模块采集、处理和转发数据。QCA9531WiFi无线通信模块嵌入OpenWrt固件，通过配置OpenWrt系统的网络串口功能和推送功能，实现QCA9531WiFi无线通信模块的数据转发和传输。

STM 32处理器模块

STM32F107单片机使用Cortex-M3核，CPU速度可达72 MHz，适合于需要连接性和实时性的应用程序。该MCU的特点是64-256 KB的片上闪存，64 KB的SRAM和14个通信接口，以及一个USB OTG全速(12 Mb/s)设备，主机和OTG模式控制模块。用于STM32F107VCT的电源模块具有5V直流输入和3.3V直流输出。开发板上的USB设备接口为小型USB接口，电流小，不需要从PC机上取电。STM32F107VCT芯片最大的亮点是集成了主流外围网络CAN、USB、UART、电机控制等。

STM32F107VCT系列具有接口互连和内部资源多的优点，F107增加了IEEE以太网接口的数量，具有两个IIS音频接口，所有64kb SRAM缓存。

无线通信模块

本系统无线通信模块采用高通QCA 9531芯片。与AR 9431芯片相比，QCA 9531芯片的价格比AR 9431芯片低，但其频率更高，高达650 MHZ，内存可达128 MB。它具有提高CPU、降低功耗、降低芯片热等优点。虽然这两种芯片都支持USB接口，但QCA 9531增加了外部接口，支持MINIPCIE接口，可以扩展到5G双频和LTE数据模块应用程序。

系统的软件设计

系统的软件设计基于Andriod操作系统。本文以Andriod操作系统为平台，开发了智能家居用电管理系统。通过在智能手机上安装应用程序，用户可以监控和更好地参与需求响应管理，实现远程管理，降低安全风险，节约电力消耗。将现代先进技术应用到人们的生活中是切实可行的。

本文选用MATLAB GUI用户界面对界面的设计进行了仿真。APP软件界面主要由欢迎界面、登录界面、主界面组成。主界面分为实时电价查询、电力数据查询、参数设置、远程控制、电源策略管理和设置等子模块。主接口如图3所示，客户端接口操作设计如图4所示。

图3 智能家居用电管理系统的主界面

图4 客户端接口操作的设计

登录到帐户后，用户可以输入主界面。在实时电价查询界面上，用户可以在24小时内查看实时电价信息.智能家庭用电管理系统可根据实时电价信息调整家用电器的使用，以满足节峰要求。 提高供电的有效性和可靠性。

在电力数据查询界面中，用户可以在24小时内的选定日期内查询不同电力设备的使用情况和总电费，以便用户参与其中。 在需求响应方面，使用户能够更好地管理电力设备的使用。

在参数设置界面中，用户可以选择负载(如电饭煲、热水器、洗衣机等)，并设置电源装置的电压、电流、功率因数和优先级。 该系统通过设置参数设置满足用户期望的家庭用电优化策略参数，最大限度地降低了用电费用。 满足用户需求。

在电源策略管理界面中，用户可以根据我们设定的参数值，对通过优化算法程序得到的各个电源设备的功耗周期进行优化。 考虑用户的需求，从而降低用电成本，达到节能的目的。

以远程控制接口为例，其接口如图5所示。在远程控制界面中，首先用户需要将需要被完全控制的电气设备添加到系统中，其次用户可以选择连接或断开，根据用户需要指定电气设备，或选择合适的模式(正常模式或节能模式)调整电气设备开关。通过远程控制，系统不仅可以优化负荷管理，而且给用户的生活带来了方便，节省了负荷的启动时间。

远程控制接口的子程序流程图如图6所示。在远程控制接口中，有两个控制按钮：“Connect”和“Exit Connection”。单击连接按钮后，它将开始连接设备。连接成功后，用户可以选择开、关家用电器。单击“退出”按钮后，用户可以选择是否断开连接。如果是，用户可以断开设备并退出当前接口返回到主界面；如果没有，则可以断开设备并返回主界面以控制其他子模块，然后停留在当前接口中。

图5 遥控接口 图6 子程序流程图

总结

本文首先介绍了WiFi技术、智能家居和需求响应的概念及其发展现状和趋势。其次，本文旨在节约用户电费，实现电力负荷的转移。本文设计了智能家居用电管理系统的总体方案。采用STM32F107VCT系列芯片和QCA 9531芯片，通过Andriod平台对智能家居用电管理系统进行控制。最后，利用Matlab的GUI用户界面完成了应用程序的软件设计。

参考文献

[1] Tompros, Spyridon , et al. 'Enabling applicability of energy saving applications on the appliances of the home environment.' Network IEEE 23.6(2009):8-16.
[2] Liu, Fagui , and H. Zhao . 'The Design of WIFI-Based Smart Home Communication Hardware Adapter.' Fifth International Conference on Instrumentation amp; Measurement IEEE, 2016.
[3] Alam, M. R , M. B. I. Reaz , and M. A. M. Ali . 'A Review of Smart Homes—Past, Present, and Future.' Systems Man amp; Cybernetics Part C Applications amp; Reviews IEEE Transactions on 42.6(2012):1190 - 1203.
[4] Han, Sekyung , S. Han , and K. Sezaki . 'Development of an Optimal Vehicle-to-Grid Aggregator for Frequency Regulation.' IEEE Transactions on Smart Grid 1.1(2010):65-72.
[5] Mercedes Valleacute;s, et al. 'Regulatory and market barriers to the realization of demand response in electricity distribution networks: A European perspective.' Electric Power Systems Research 140(2016):689-698.

[6] Bertsch, L. A. . 'Development tools for home automation.' IEEE Transactions on Consumer

Electronics 36.4(1990):854-858.

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