基于MIPS32设计的智能电网家庭用电监控系统

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。

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

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）