張巧云++趙亮++張品昌++王精明

摘 要：當今生活無時無刻都離不開電力資源，最大的難題就是如何解決電力資源短缺的問題，將電力資源使用率最大化。本系統(tǒng)使用Android移動終端并通過路由器AP讀取智能插座的電能、電壓、電流、有功功率、無功功率等數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)對家用電器的電力參數(shù)進行實時監(jiān)測，并存儲這些數(shù)據(jù)，最后利用這些歷史數(shù)據(jù)動態(tài)地繪制圖形，為用戶提供形象直觀的功耗數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析服務(wù)，提示用戶合理安排用電時間，提高電力資源的利用效率，節(jié)省用電費用。

關(guān)鍵詞：智能插座；Android；功耗分析；實時監(jiān)測

中圖分類號：TP393.08 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展[1-3]以及移動終端設(shè)備的普及，與因特網(wǎng)互聯(lián)互通的計算機和許多普通家電及日常用品彼此結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)概念也慢慢融入到百姓的生活中[4-5]。當下，許許多多的科技工作者已經(jīng)將最新的科技與家居生活緊密的聯(lián)系到一起[6-9]，勾起了人們渴望用此技術(shù)來實現(xiàn)各式各樣與家庭生活有關(guān)的比較實用的功能的欲望，這其中就包括用戶對家電在日常生活中所消耗的能源，因此，用戶希望能夠擁有一種對家電設(shè)備具有監(jiān)測和分析功能并可及時分析其功耗情況的設(shè)備，實時監(jiān)測家里過度耗電的設(shè)備，杜絕任何浪費資源及用電不合理的行為。

本系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有智能插座所面臨的問題，把安全和便利兩個很好的特性融入到系統(tǒng)中去。本系統(tǒng)的優(yōu)勢在于僅需要對家庭中的插座進行改進，增加電能計量和WiFi模塊，通過家中的路由器（AP）就可以通過Android移動終端隨時隨地的監(jiān)控連接在智能插座上家用電器的電壓、電流、電能、有功功率、無功功率和功率因數(shù)等電力參數(shù)數(shù)據(jù)。同時，古老的家電監(jiān)測分析系統(tǒng)必須要求用戶通過人工的方式來比對數(shù)據(jù)，這種方式不僅繁瑣，而且容易被用戶遺忘，給用戶帶來了極大的不便。目前，Android操作系統(tǒng)在移動終端操作系統(tǒng)中十分流行，且移動終端的設(shè)備已經(jīng)成為大眾生活的必備品。并且它具有移動設(shè)備體積小，攜帶方便和無線通信等眾多優(yōu)點，對該系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件。

通過深入了解當前市場上顧客的客觀需求，結(jié)合各種可行的有利因素，本系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)有的條件和技術(shù)，將各種新技術(shù)進行整合和再創(chuàng)造，優(yōu)化技術(shù)中的各種缺陷和被忽略的重點，設(shè)計出基于Android的家用電器功耗分析系統(tǒng)。通過在Android移動終端安裝本系統(tǒng)的應(yīng)用程序，即可讓用戶很直觀地了解家中電器實時反饋過來的數(shù)據(jù)，并且通過特有的繪圖功能生動形象的了解各種電器功耗的波動情況。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)使用Android移動終端（手機或平板）通過家中的路由器AP讀取智能插座（內(nèi)嵌電能計量模塊和WiFi UART模塊）的電能量、電壓、電流、有功功率、無功功率等數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對家電設(shè)備（冰箱、空調(diào)、熱水器、電視機等）的電能量、功率等電力參數(shù)進行實時監(jiān)測、存儲及數(shù)據(jù)分析，提示用戶合理的安排用電時間，提高電力資源的利用效率，節(jié)省用電費用。該系統(tǒng)的應(yīng)用場景如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)應(yīng)用場景

本系統(tǒng)主要包括智能插座、路由器AP以及Android移動終端。智能插座內(nèi)嵌電能計量模塊及WiFi UART模塊，使該插座能夠計量電壓、電流、電能、有功功率、無功功率等電力參數(shù)，且具備WiFi通訊功能，通過家中的路由器AP與Android移動終端進行通訊，Android移動終端只需安裝本系統(tǒng)所開發(fā)的應(yīng)用程序（App），用戶即可通過移動終端看到所關(guān)心的電力參數(shù)及其數(shù)據(jù)分析等。具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹

目前市場上常見的插座功能十分簡單，只具備供電、轉(zhuǎn)換插孔的功能，更高級的可以支持ZigBee協(xié)議，但需要對家中設(shè)備進行改造[10-12]。而本系統(tǒng)所設(shè)計的智能插座無需對家中其他設(shè)備進行改造，僅需要改造家中的插座。下面來介紹所改造的智能插座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要在原有插座的基礎(chǔ)上增加電能計量模塊、無線傳輸通信的WiFi UART模塊，一個智能插座就誕生了。這個插座里面不僅功能多，而且還加裝了漏點保護裝置，有效保證用戶用電的安全。改裝后的智能插座實物如圖3所示。

圖3 改裝后的智能插座實物圖

2.2 電能計量模塊

電能計量模塊可以對插座所連接電器的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)進行測量。待測量完成后，該模塊內(nèi)置UART模塊，采用主從應(yīng)答方式（半雙工）的通訊協(xié)議，與無線傳輸通信的WiFi UART模塊通過串口進行連接，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2.3 WiFi UART模塊

WiFi UART模塊是基于串口的嵌入式模塊，此模塊里面包含了無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及TCP/IP協(xié)議棧，其符合WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的標準。傳統(tǒng)的串口設(shè)備可以在不需要任何配置下通過網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)，為用戶使用以太網(wǎng)來傳輸數(shù)據(jù)提供了很好的解決方法。該模塊包括五個工作模式：AP（無線接入點）、客戶端（無線客戶端）、中繼器（無線中繼）、橋（無線橋接）和路由器（無線路由）。該模塊的實物圖如圖4所示。

圖4 WiFi UART模塊實物圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計架構(gòu)

當家用電器通過電源線連接至智能插座后，因智能插座內(nèi)置WiFi UART模塊，首先為此模塊設(shè)定好IP地址，然后在Android移動終端安裝本系統(tǒng)所開發(fā)的應(yīng)用程序，就可以通過家中的AP獲取該插座所連接設(shè)備的電壓、電流、電能、有功功率、無功功率等電力參數(shù)。該系統(tǒng)的應(yīng)用程序基于Android操作系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境使用jdk+Eclipse+Android SDK+ADT，開發(fā)語言采用Java。應(yīng)用程序的軟件架構(gòu)如圖5所示。圖中主要包括系統(tǒng)UI界面設(shè)計模塊、數(shù)據(jù)連接與通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。

圖5 系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)的界面設(shè)計

本系統(tǒng)的界面主要包括：主界面、系統(tǒng)配置界面、動態(tài)波形顯示界面以及數(shù)據(jù)分析界面。具體如圖6和圖7所示。

系統(tǒng)主界面用于顯示智能插座所連接的家用電器的實時電壓、電流、電能、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和WiFi連接狀態(tài)等信息，并將該智能插座所獲取的這些數(shù)值存儲至Android系統(tǒng)自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫中。

系統(tǒng)配置界面主要用于設(shè)置所需查詢的智能插座的IP地址、端口號以及間隔時間。待Android移動終端與智能插座連接成功后，設(shè)置間隔時間的目的是實時更新主界面所有的電力參數(shù)值。

圖6主界面及系統(tǒng)配置界面 圖7動態(tài)波形顯示及數(shù)據(jù)分析界面

動態(tài)波形顯示界面主要用于動態(tài)顯示家電設(shè)備的功耗狀態(tài)信息，系統(tǒng)自動會獲取后臺數(shù)據(jù)庫中的電能信息，以垂直方向代表電能值的大小，水平方向代表時間，從SQLite數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，繪制曲線，讓用戶實時了解每個時段的用電量。

數(shù)據(jù)分析界面主要用于動態(tài)加載數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，如時間、有功功率、無功功率和功率因數(shù)。這里的數(shù)據(jù)根據(jù)系統(tǒng)配置界面所設(shè)置的間隔時間從后臺數(shù)據(jù)庫SQLite中讀取數(shù)據(jù)，并逐條顯示在界面上，且支持上下滑動瀏覽，讓用戶非常直觀地看到這些電力參數(shù)的變化。用戶若想清空當前界面的所有數(shù)據(jù)，只需要通過“清除所有數(shù)據(jù)按鈕”即可實現(xiàn)。

3.3 數(shù)據(jù)連接與通信

在本系統(tǒng)中，當用戶點擊主界面的“”圖標時，Android移動終端即可通過家中的路由器AP與內(nèi)部嵌入無線WiFi模塊的智能插座建立Socket通信連接。當連接成功后，則在應(yīng)用程序界面的“連接狀態(tài)”處顯示“已連接”，同時開始根據(jù)系統(tǒng)配置界面中所設(shè)置的間隔時間，定時在應(yīng)用程序的實時顯示界面更新該智能插座所連接的家用電器的電壓值、電流值、電能值、有功功率值、無功功率值及功率因數(shù)值等數(shù)據(jù)。如果Socket連接超時或系統(tǒng)配置界面的IP地址異常則在“連接狀態(tài)”處顯示“未連接”，表示無法進行正常通信，具體的連接流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)通信連接流程圖

3.4 數(shù)據(jù)存儲

本系統(tǒng)使用的是Android操作系統(tǒng)自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲。SQLite是一款輕型的數(shù)據(jù)庫，遵守ACID的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，在嵌入式設(shè)備中，它占用系統(tǒng)資源少，支持Windows/Linux/Unix等主流的操作系統(tǒng)，同時能夠跟很多程序語言相結(jié)合，還具備ODBC接口，比起MySQL、PostgreSQL這兩款世界著名的開源數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它的處理速度相對于其他數(shù)據(jù)庫更快。

當Android移動終端根據(jù)系統(tǒng)配置界面所設(shè)置的間隔時間定時刷新智能插座所傳遞過來的電流、電壓、電能、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，然后系統(tǒng)會自動將這些數(shù)據(jù)保存在SQLite數(shù)據(jù)庫中，以被數(shù)據(jù)分析及動態(tài)波形顯示時使用。SQLite數(shù)據(jù)庫中所創(chuàng)建的表字段含義如表1所列。

表1 數(shù)據(jù)庫字段說明表屬性名 字段類型 字段介紹

id Int 智能插座名稱

voltage Float 電壓

current Float 電流

energy Float 電能

active_power Float 有功功率

reactive_power Float 無功功率

factor Float 功率因數(shù)

data String 日期

4 結(jié) 語

隨著Android操作系統(tǒng)的崛起和各種智能移動設(shè)備在百姓日常生活中的不斷普及，基于Android的各類App也直線向上的發(fā)展起來。本系統(tǒng)基于Android移動終端通過WiFi實時讀取智能插座所連接的家用電器的電能量、電壓、電流、有功功率、無功功率等數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對家用電器設(shè)備的電力參數(shù)進行實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，提示用電客戶合理安排用電時間，提高電力資源的利用效率，且操作方便。因此，本系統(tǒng)的開發(fā)會有很廣闊的應(yīng)用前景。

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