*基于WiFi感應(yīng)的智能電源管理系統(tǒng)

李 新，徐成武，張建國(guó)，程 鵬

(太原理工大學(xué) a.信息化管理與建設(shè)中心，b.物理與光電工程學(xué)院，太原 030024)

隨著科技的進(jìn)步，不斷增加的電器使用量會(huì)不可避免地產(chǎn)生了許多不合理的電器使用。例如，廚房的熱水器和辦公室的電器等通常都是常開的。在晚上或者無(wú)人的時(shí)候，這些常開或待機(jī)的電器設(shè)備不僅會(huì)累計(jì)消耗許多不必浪費(fèi)的電力資源，還存在一定的安全隱患。另外，一些安防攝像頭被安裝在室內(nèi)，雖然可以保障室內(nèi)物品或人員安全，但也存在個(gè)人隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)室內(nèi)數(shù)量眾多的電器設(shè)備的電源進(jìn)行日常控制和管理是一項(xiàng)必要和繁瑣的事情。

在國(guó)內(nèi)，很多智能插座和電源控制系統(tǒng)的研究似乎已經(jīng)為上述現(xiàn)象提供了解決方案[1-4]。但大部分研究關(guān)注控制終端與控制節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但控制方式仍然以手動(dòng)控制為主。使用者必須手動(dòng)通過智能手機(jī)中定制的APP才能對(duì)智能插座或者控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。顯然，這種手動(dòng)控制的解決方案難以解決日常室內(nèi)電源管理的問題。但陳思運(yùn)等人通過集成多傳感器的可穿戴設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)用電設(shè)備的電源的自動(dòng)管理[5]。在國(guó)外，MEHREEN et al將智能插座與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合在一起，通過云服務(wù)器分析智能插座反饋的電器設(shè)備的用電數(shù)據(jù)，并根據(jù)用電數(shù)據(jù)判斷電器設(shè)備的工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能插座自動(dòng)控制[6]。LABEODAN et al利用熱釋電傳感器和機(jī)械接觸開關(guān)組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)辦公室的人員數(shù)量，動(dòng)態(tài)控制辦公室的照明系統(tǒng)[7]。GUL和PATIDAR通過對(duì)大樓的能耗和人數(shù)監(jiān)測(cè)優(yōu)化大樓的能源管理策略[8]。因此，室內(nèi)用電設(shè)備的日常電源管理完全可在傳感器的輔助下自動(dòng)運(yùn)行。

室內(nèi)電器設(shè)備的電源控制邏輯其實(shí)很簡(jiǎn)單。當(dāng)有人時(shí)，電器需正常使用；當(dāng)沒人時(shí)，則需斷開電器的電源。因此，自動(dòng)判斷室內(nèi)有人無(wú)人是實(shí)現(xiàn)智能室內(nèi)電源管理的首要問題。現(xiàn)有方法可以分別利用熱釋電傳感器、紅外對(duì)射傳感器、圖像識(shí)別、GPS定位和ZigBee感應(yīng)等實(shí)現(xiàn)。熱釋電傳感器的方法最簡(jiǎn)單，但僅能對(duì)一定距離內(nèi)移動(dòng)的人產(chǎn)生響應(yīng)，具有很大的局限性，一般需要其他傳感器的輔助[7]。紅外對(duì)射傳感器的方法通過兩對(duì)紅外對(duì)射傳感器監(jiān)測(cè)進(jìn)出人數(shù)，從而計(jì)算室內(nèi)是否有人[8]。但該方法存在一定的誤差率，適用于可單人通過的房間。圖像識(shí)別的方法則利用攝像頭采集人進(jìn)出門口的圖像，通過圖像識(shí)別計(jì)算進(jìn)出的人數(shù)，進(jìn)而判斷室內(nèi)是否有人[9]。該方法的成本相對(duì)較高，適用于人流量大的場(chǎng)所。GPS定位的方法利用智能手機(jī)內(nèi)的GPS傳感器提供手機(jī)使用者的位置信息，通過該位置信息確定使用者是否在特定區(qū)域[5,10]。該方法需要在智能手機(jī)安裝定制的APP，對(duì)手機(jī)有一定的要求。ZigBee感應(yīng)的方法通過由人隨身攜帶的便攜式ZigBee裝置和固定在房間內(nèi)的ZigBee網(wǎng)關(guān)協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)[11]。當(dāng)人攜帶便攜式裝置離開網(wǎng)關(guān)輻射的通信范圍，便攜式裝置與網(wǎng)關(guān)之間的通信中斷，則認(rèn)為人離開了該房間；反之，則認(rèn)為人在該房間。但該方法需要人額外攜帶便攜式裝置才能工作，適用于賓館會(huì)所等區(qū)域。

如今，智能手機(jī)和無(wú)線路由器已經(jīng)基本普及。手機(jī)作為人們?cè)谏詈凸ぷ髦械墓ぞ撸ǔ６急蝗藗冸S身攜帶。當(dāng)人們回到家或辦公室中，手機(jī)通常會(huì)自動(dòng)與室內(nèi)的無(wú)線路由器的WiFi網(wǎng)絡(luò)相連接。反之，當(dāng)人們離開后，手機(jī)也會(huì)自動(dòng)與無(wú)線路由器的WiFi網(wǎng)絡(luò)斷開。因此，本文研究了一種基于WiFi感應(yīng)的智能電源管理系統(tǒng)，利用無(wú)線路由器自動(dòng)判斷室內(nèi)是否有人，從而實(shí)現(xiàn)智能室內(nèi)電源管理，具有智能感應(yīng)、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、能夠自動(dòng)完成日常差異性電源管理等優(yōu)點(diǎn)。

1 基于WiFi感應(yīng)的智能電源管理系統(tǒng)

基于WiFi感應(yīng)的智能電源管理系統(tǒng)由無(wú)線路由器、手機(jī)和電源插座三部分組成。其中，無(wú)線路由器是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制中心，不僅提供上網(wǎng)所需的WiFi網(wǎng)絡(luò)，還實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手機(jī)的WiFi連接狀態(tài)，通過WiFi連接狀態(tài)判斷室內(nèi)是否有人，并在有人或者無(wú)人的場(chǎng)景下對(duì)電源插座進(jìn)行智能控制。手機(jī)是具有WiFi連接功能的手機(jī)。由于現(xiàn)在手機(jī)都具有自動(dòng)連接WiFi網(wǎng)絡(luò)的功能，因此，該系統(tǒng)中的手機(jī)無(wú)需安裝任何APP。電源插座是為電器設(shè)備供電的控制節(jié)點(diǎn)，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)接受并響應(yīng)無(wú)線路由器的控制指令。該系統(tǒng)的基本工作原理為：當(dāng)人攜帶手機(jī)回到家中或辦公室，手機(jī)自動(dòng)與室內(nèi)無(wú)線路由器的WiFi網(wǎng)絡(luò)相連接時(shí)，無(wú)線路由器認(rèn)為室內(nèi)有人，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)通知電源插座為電器設(shè)備供電，如圖1(a)所示。而當(dāng)人攜帶手機(jī)離開后，手機(jī)自動(dòng)與無(wú)線路由器的WiFi網(wǎng)絡(luò)斷開，無(wú)線路由器則認(rèn)為室內(nèi)無(wú)人，通知電源插座關(guān)閉電源，如圖1(b)所示。

圖1 工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle

2 無(wú)線路由器和APP程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中的無(wú)線路由器采用華為公司的榮耀立方WS860s，如圖2(a)所示。榮耀立方是華為公司在智能家居領(lǐng)域開發(fā)的第一款概念產(chǎn)品，集成了兩顆雙核處理器，由運(yùn)存和內(nèi)存分別為1G RAM和4G ROM，內(nèi)嵌安卓操作系統(tǒng)，提供了WAN，LAN，HDMI，USB和SD等接口。榮耀立方將智能路由器和安卓系統(tǒng)的功能整合在一起，如圖2(b)所示。智能路由器是一個(gè)封閉的Linux系統(tǒng)，支持2.4 GHz/5 GHz雙頻千兆WiFi。而安卓系統(tǒng)是一個(gè)開放系統(tǒng)，版本為4.2.2，支持播放器、電視盒子和第三方APP擴(kuò)展等功能。因此，榮耀立方WS860s不僅提供了本系統(tǒng)所需的路由和網(wǎng)絡(luò)交換的功能，而且為本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)手機(jī)的WiFi連接狀態(tài)等功能提供了所需的硬件和軟件平臺(tái)。

圖2 榮耀立方WS860sFig.2 Honor Cube WS860s

榮耀立方上的第三方APP可通過Android Studio開發(fā)工具使用JAVA語(yǔ)言編寫實(shí)現(xiàn)。第三方APP為榮耀立方增加了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶手機(jī)的WiFi連接狀態(tài)，并自動(dòng)向本系統(tǒng)的電源插座發(fā)送控制命令等功能，具體實(shí)現(xiàn)的流程如圖3所示。其中，由于智能路由器和安卓系統(tǒng)相互獨(dú)立部分，在安卓系統(tǒng)上運(yùn)行的第三方的APP需使用榮耀立方開放的接口函數(shù)，才能調(diào)用智能路由器的功能和資源[12]。因此，若要獲取手機(jī)與榮耀立方的WiFi連接數(shù)量，就必須通過榮耀立方的SDK中的接口類GatewyApplication調(diào)用get接口函數(shù)，才能獲取網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息[13]。而返回的字符串包含了所有連接過該榮耀立方的設(shè)備名稱、類型、Mac地址和是否在線等接入設(shè)備的信息。因?yàn)樵?jīng)連接過，但當(dāng)前尚未連接的設(shè)備的狀態(tài)是離線狀態(tài)，APP還需從返回的字符串中篩選出所有在線的手機(jī)的數(shù)量，才能準(zhǔn)確地獲取用戶手機(jī)連接數(shù)。榮耀立方和電源插座之間利用基于TCP協(xié)議的Socket套接字進(jìn)行通信。榮耀立方是服務(wù)器端，電源插座是客戶端。APP需使用java.net.ServerSocket類創(chuàng)建一個(gè)具有特定端口的服務(wù)器對(duì)象。由于1024后的端口可自由選擇，這里創(chuàng)建的服務(wù)器的端口為6354。為了實(shí)現(xiàn)榮耀立方能夠?qū)Χ鄠€(gè)不同的電源插座建立連接，服務(wù)器對(duì)象serverSocket需利用多線程的方式調(diào)用accept()方法啟動(dòng)監(jiān)聽，等待電源插座的連接請(qǐng)求。accept()方法為每個(gè)向服務(wù)器對(duì)象請(qǐng)求連接的電源插座返回一個(gè)對(duì)應(yīng)的Socket對(duì)象。APP將通過該Socket對(duì)象分別調(diào)用getInputStream()方法和getOutputStream()方法與各個(gè)電源插座實(shí)現(xiàn)雙向通信。除此以外，該APP在系統(tǒng)初始化中還創(chuàng)建了一個(gè)交互界面，用戶可通過電視或顯示器查看用戶手機(jī)連接數(shù)和繼電器閉合的路數(shù)，并可手動(dòng)對(duì)電源插座進(jìn)行控制。

圖3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)是否有人和控制電源插座的APP流程圖Fig.3 Flow diagram of APP for monitoring automatically whether there are people and controlling the power socket

3 電源插座的硬件和固件設(shè)計(jì)

電源插座的硬件電路通過4個(gè)獨(dú)立的模塊搭建而成，分別是單片機(jī)模塊、WiFi模塊、繼電器模塊和電源模塊，如圖4所示。其中，單片機(jī)控制電路是一個(gè)基于單片機(jī)ATmega328的Arduino Nano開發(fā)板。ATmega328為美國(guó)Microchip公司的8位AVR單片機(jī)，集成了32kB閃存、1kB EEPROM和2 kB SRAM，支持UART、I2C和SPI串行通訊。Arduino Nano開發(fā)板為ATmega328配置了16 MHz晶振和復(fù)位電路，引出了8路模擬量輸入引腳和12路數(shù)字量引腳(其中包括ICSP串行編譯接口)，提供了電源轉(zhuǎn)換電路，還增加了FTDI公司的USB轉(zhuǎn)UART接口芯片F(xiàn)T232R，使單片機(jī)可通過USB接口與電腦通訊。WiFi模塊采用基于ESP8266的UART-WiFi模塊ESP-01.ESP8266是我國(guó)樂鑫公司的低功耗WiFi芯片，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持無(wú)線802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，三種工作模式(STA/AP/STA+AP)和AT指令。由于ESP8266高度集成了Tensilica 處理器、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字外設(shè)接口、天線開關(guān)和功率放大器等，ESP-01僅需很少的外圍元件，使可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)成WiFi信號(hào)的透明傳輸。同時(shí)，ESP-01采用板載PCB天線，體積小巧，僅14.3×24.8 mm。這里，ESP-01和Arduino Nano通過串口相連。繼電器模塊是四路帶光耦隔離繼電器模塊。該模塊可通過跳線單獨(dú)設(shè)置每一路繼電器的高/低電平觸發(fā)方式，并且將每路繼電器的常開、常閉和公共引腳通過接線端子引出。每路繼電器的常開接口的最大交流和直流負(fù)載分別為AC 250 V/10 A和DC 30 V/10 A。繼電器模塊的4路高低電平觸發(fā)選擇端分別與Arduino Nano的4路數(shù)字量引腳相連；每路繼電器都通過跳線選擇為低電平觸發(fā)方式。四路繼電器的常閉合公共接口分別與四個(gè)導(dǎo)軌插座的接入端相連。電源模塊是AC-DC開關(guān)電源，外接交流220 V電源，將交流220 V轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V，分別為單片機(jī)模塊、WiFi模塊和繼電器模塊供電。圖4是電源插座的結(jié)構(gòu)圖。上述4個(gè)模塊都被整合在一個(gè)外殼里。外殼露出4個(gè)導(dǎo)軌插座，可連接四路電器設(shè)備的電源。

圖4 電源插座的結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of power socket

Arduino Nano的ATmega328是電源插座的控制中心。ATmega328的固件程序通過Arduino IDE編譯器使用C語(yǔ)言編寫而成，具體流程如圖5所示。首先，為了使ATmega328能夠與ESP-01通過串口通信，單片機(jī)初始化需對(duì)串口的波特率配置為9600，其他串口屬性默認(rèn)不變。然后，ATmega328需通過AT指令對(duì)ESP-01的ESP8266進(jìn)行配置，使ESP8266在AP+Station模式工作，并將WiFi接入點(diǎn)的名稱和密碼配置為榮耀立方的WiFi名稱和密碼，通訊協(xié)議為TCP協(xié)議，通信的IP地址為榮耀立方的默認(rèn)IP地址(192.168.3.253)，端口為6354以及傳輸模式為透明傳輸模式等。配置后，WiFi模塊將與榮耀立方通過WiFi連接，等待接受榮耀立方的控制指令，并將接受到的控制指令直接通過串口發(fā)給ATmega328。ATmega328根據(jù)控制指令，配置數(shù)字引腳的高低電平使繼電器模塊響應(yīng)，為不同的用電設(shè)備供電或斷電，并返回繼電器模塊的狀態(tài)。

圖5 ATmega328的固件程序流程圖Fig.5 Flow diagram of firmware of ATmega328

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際效果，使用4個(gè)燈泡代替不同類型的電器設(shè)備與電源插座相連，并且將榮耀立方與液晶顯示器相連，如圖6(a)所示。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)中僅榮耀立方上電工作時(shí)，榮耀立方提供了WiFi網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)可連接到榮耀立方的WiFi網(wǎng)絡(luò)。由于電源插座尚未上電工作，插座上的燈泡都沒有亮，同時(shí)電源插座也沒有與榮耀立方通過WiFi連接。顯示器顯示APP已運(yùn)行，但不能正常工作，等待電源插座的接入，如圖6(b)所示。

圖6 測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test result

當(dāng)電源插座上電工作，電源插座自動(dòng)與榮耀立方通過WiFi網(wǎng)絡(luò)相連接，榮耀立方上的APP進(jìn)入工作狀態(tài)。此時(shí)，由于手機(jī)已經(jīng)連接了榮耀立方的WiFi網(wǎng)絡(luò)，如同人攜帶手機(jī)(手機(jī)的WLAN開關(guān)狀態(tài)為開)回到家，手機(jī)會(huì)自動(dòng)與榮耀立方的WiFi網(wǎng)絡(luò)相連接，APP上的用戶手機(jī)連接數(shù)大于零。根據(jù)用戶手機(jī)連接數(shù)，APP向電源插座發(fā)出“有人模式”的控制指令；電源插座給代表有人時(shí)使用的設(shè)備的燈泡供電，將代表無(wú)人時(shí)使用設(shè)備的燈泡斷電，并保持給代表常開設(shè)備的燈泡供電，如圖7(a)所示。電源插座向榮耀立方返回繼電器狀態(tài)，APP則根據(jù)繼電器狀態(tài)更新狀態(tài)變量，并通過顯示器的界面顯示用戶手機(jī)連接數(shù)為1，供電路數(shù)為3，如圖7(b)所示。

圖7 當(dāng)有人時(shí)，電源和APP的狀態(tài)Fig.7 State of power supply and APP when there are people

當(dāng)手動(dòng)關(guān)閉手機(jī)的WLAN開關(guān)，模擬人攜帶手機(jī)(手機(jī)的WLAN開關(guān)狀態(tài)為開)離開家，手機(jī)會(huì)自動(dòng)與榮耀立方的WiFi網(wǎng)絡(luò)斷開，APP上的用戶手機(jī)連接數(shù)恢復(fù)為零。APP向電源插座發(fā)出“無(wú)人模式”的控制指令，電源插座給代表無(wú)人時(shí)使用的設(shè)備的燈泡供電，將代表有人時(shí)使用的設(shè)備的燈泡斷電，并保持給代表常開設(shè)備的燈泡供電，如圖8(a)所示。這時(shí)，由于沒有手機(jī)與榮耀立方通過WiFi

相連接，APP的界面上的用戶手機(jī)連接數(shù)變?yōu)?，供電路數(shù)為2，如圖8(b)所示。

圖8 當(dāng)無(wú)人時(shí)，電源和APP的狀態(tài)Fig.8 State of power supply and APP when there are no people

5 結(jié)論

針對(duì)家里或辦公室中的電器設(shè)備日益增多而導(dǎo)致節(jié)能和安全方面的問題，提出了一種基于WiFi感應(yīng)的智能電源管理系統(tǒng)，為室內(nèi)日常電源自動(dòng)化管理提供了一種解決方案。該系統(tǒng)將無(wú)線路由器作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，通過對(duì)無(wú)線路由器榮耀立方的二次開發(fā)，使其能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)手機(jī)與無(wú)線路由器的WiFi連接數(shù)，并根據(jù)WiFi連接數(shù)判斷家中是否有人，通過電源插座對(duì)高耗能電器或安全監(jiān)控設(shè)備的電源進(jìn)行差異性控制，不僅節(jié)省了無(wú)人時(shí)不必浪費(fèi)的電力資源，而且防止在有人時(shí)視頻監(jiān)控引起的隱私泄露。目前，該系統(tǒng)尚處于對(duì)功能驗(yàn)證的雛形設(shè)計(jì)，將來還會(huì)根據(jù)智能家居領(lǐng)域的實(shí)際需求，進(jìn)行不斷地改進(jìn)和優(yōu)化。