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智能家电能耗监控设备的设计与开发：Android应用
摘要
本文从监控的角度介绍了家用电器的能源管理系统。监测能源消耗是降低能源消耗的第一步。设计并开发了一种智能设备，对负载设备的电压、电流、功率因数、功耗、频率等参数进行监测。通过移动应用程序使加载设备根据设备的状态关闭/打开。为了获得测量数据并控制负载设备，已经开发出使用支持移动的蓝牙与蓝牙低能量模块通信，蓝牙低能量模块与主机微控制器接口的Android应用程序。蓝牙模块用于家庭自动化应用。该装置设计简单，功耗低，性价比高，易于与用户交互。
关键词：能量管理系统，智能插头，低功耗蓝牙（BLE），继电器，Android应用程序
- 导言
能源管理系统是指能够对能源使用情况进行监控并向业主反馈的硬件和软件系统。其也有能力控制使用先进的家用设备控制系统能源的利用。能源管理是节约能源的关键。它是一个组织控制和降低能源消耗的手段。这样可以降低成本，减少碳排放，降低风险。管理能源消耗的方法有很多种，例如通过计量能源消耗和收集数据，发现并找准时机节约能源。
监测能源消耗是减少能源消耗的最佳途径。一旦家用电器的能源使用量被单独知道，它就会不断地显示出减少它的方法。几乎每家每户都有一个电表，它测量的是整个房子的能耗，而不是单个电器的读数。因此，有必要设计一个基于需求的设备监控系统。
电表是测量电器消耗电能的装置。这些电器从主电源吸取电能。据了解，电能表安装在建筑物外，计费数据只有在月底才能获得。但根据这些数据，不可能看清能源消耗的清晰图景。节能意识强的人总是对自己的能源利用感兴趣，于是他们开始寻找其他替代品，如智能电能计量装置，也就是电能表或智能电能表。
电源插头电表是用来测量插入其中的电器的能耗的电表。这些电表连接在墙上插座和显示电压、电流、能量等参数的设备之间。这些类型的电表不包含任何通信介质，用于将测量数据发送到其他设备。所以为了解决这一问题，引入了智能插电式电能表。
智能设备通常通过Wi-Fi、蓝牙、3G等无线协议连接到其他设备。一些著名的智能设备是智能手机、智能手表和智能手环。智能设备通常通过Wi-Fi、蓝牙、3G等无线协议连接到其他设备。一些著名的智能设备是智能手机、智能手表和智能乐队。智能插电式仪表是智能设备中的一种，用于对插电式电器进行连续监测和自动控制。智能插头设备重量轻，设计简单，便于携带，拥有几个按钮来执行一些复位操作和其他。本文尝试将蓝牙低能耗技术应用到智能插电设备中。与其他无线技术相比，BLE更适合家庭应用。
具有低能耗功能的蓝牙适用于在钮扣电池等电源下运行时间较长的设备。BLE基本上是为物联网应用而构建的。低能耗蓝牙的另一个名称是智能蓝牙。与传统的蓝牙相比，BLE在相同的通信范围内降低了功耗和成本。
Android应用程序开发是在Android手机的Android操作系统上开发应用程序的过程。4.3版本的Android支持BLE，因此可以进行发现、连接和交换数据的操作，他有许多android软件开发工具可用，即androidstudio、eclipse等。通常用于开发android应用程序的编程语言是java。而在这项工作中，用于开发android应用程序的工具是mitappinventor。使用此工具可以轻松地开发应用程序，因为代码是使用易于理解的块设计的。
- 文献综述
电表测量耗电量并将其显示在屏幕上，但不会显示单个设备的能耗。因此，不可能分析能源的使用和浪费。随着人们对节能意识的提高，企业和研究小组已经尝试设计出住宅和商业用的电力监控解决方案。除了相关的商用产品外，还提出并实现了电力监控系统。
在文献[1]中，作者提出了一种智能家电实时监控系统。本文主要研究无需人工的设备远程控制。远程监控采用GPRS技术。该系统使用Android用户界面从远程位置操作设备并监控其功耗，同时在监控和控制方面还侧重于人性化的技术解决方案家用电器。
在文献[2]中，作者强调了能源监测作为家庭能源管理系统的一部分的必要性。该系统由测量单元和无线通信单元两部分组成。BLE模块通过串口通信与电能计量单元相连。这采用BLE的单向广播模式将数据从测量设备传输到启用BLE的移动设备。在移动通信中的应用是对能耗数据进行聚合。
在文献[3]中，作者提出了将Wi-Fi技术应用于家用电器的能源监控，并在Android手机上进行了远程应用。本设计主要由服务器、设备接口模块和产品包三个模块组成。所需的主要硬件包括Arduino板、Wi-Fi屏蔽、继电器和试验板。本文使用的是基于android的应用平台，但在未来，他们将尝试在iOS和Blackberry操作系统上实现。这种技术的主要缺点是，在大多数医疗保健相关产品中，由于长时间接触可能会影响人体健康，因此没有使用Wi-Fi技术。
在文献[4]中，使用智能插头作为参考设备，用于监视和控制家用产品的BLE技术。应用程序是在Android操作系统上实现的。该插件为功耗测量和控制操作提供了API接口。家庭自动化系统的主要目标是优化功耗。为此，在移动电话中开发了一个应用程序。这个系统的缺点是不能满足自动化的方式的目标。
在文献[5]中，作者提出了降低能源消耗的家庭能源管理系统。在这篇论文中，他们设计并开发了一种智能插头，带有Zigbee传感器，用于测量功耗。使用Zigbee技术的智能插头能够处理和分析用于电压和电流测量的传感器，并且可以根据这些数据控制继电器。
在文献[6]中，作者讨论了能源管理系统中电能的有效利用。能源管理系统包含需求侧管理，是针对现有智能插头结构的解决方案。在本文中，他们试图设计一种智能插头，在不切断插头的情况下降低功耗。由于电压的降低，设备中的谐波失真增加，因此可能会影响设备的使用寿命。为了将收集到的参数发送到如PC或移动设备等其他设备，智能插头使用Zigbee协议进行通信。
在文献[7]中，作者研究了以能源成本最小化为目标的能源消耗和发电量。随着家庭能源使用量的增加，可再生能源系统得到了发展。所以有一个家庭能源管理系统是有必要的。Zigbee技术用于监控电器的能耗，PLC用于监控可再生能源的发电。创建家庭服务器来收集能源消耗和产生的数据信息，分析它们，并将相同的数据发送给远程控制管理服务器。
在文献[8]中，作者主要研究家用电器的实时监控。它们监测电压、电流和耗电量等电气参数。无线传感器网络用于能量控制服务。这包括从各种XBee模块（即家庭设备）接收数据的传感器。感测到的数据被发送到Zigbee协调器。Zigbee通过USB向连接的主机发送相同的数据，这些数据可以被存储，也可以远程控制。
在文献[9]中，设计并测试了一个使用无线传感器网络的家用电器电源管理系统。家用电器被感知和存储的信息由家庭网关发送到基于云的数据服务器。
在文献[10]中，作者描述了一种无线传感器和执行器网络的设计、实现和测试，该网络用于监测家用电器的能源使用。
在文献[11]中，作者解释了家庭自动化的重要性。自动化是利用控制系统和信息技术来减少生产商品和服务时对人力的需求。业主可以通过移动设备自动控制负载（开/关）随时随地使用GSM技术。
在文献[12]中，作者讨论了智能家居系统的设计和开发，该系统允许使用蓝牙和GSM技术控制家用电器。该系统使用基于android的专用应用程序进行控制，确保了使用的方便性和易用性。
在[13]中，作者描述了如何使用当地市场上的设备设计一个低成本的触摸屏，以及如何在日常生活中使用它，如控制家用电器设备。使用触摸屏，家庭自动化系统就会变得非常容易操作。
- 动机
随着家用电器对电能需求的增加，电能成本也呈指数增长。因此，有必要监测设备的能源使用情况，并在非工作状态下关闭设备。这是节约能源以备将来使用的最好办法。该系统应该像它给出了能源消耗的实时千瓦时。这就强调了降低能源的使用，有助于提高资源的合理利用。
这就为设计一种设备提供了一种方法，这种设备可以连续监测和控制电器，显示电压、电流等参数，并随后计算功耗。实践证明，该系统具有成本低、效率高、用户友好等特点，有利于节约用户用电。
- 问题陈述
随着用电量的增加，单位成本也随之增加，这是对环境的负反馈，因为随着需求的增加，能源的产量也随之增加。将所有这些牢记于心的是，一款能够持续监控能源使用情况的产品，在必要时随时可以进行控制。智能电表就是这样一种产品。这种类型的电表监测房屋的能源消耗，并向用户发送数据。因此，可以方便地分析能源使用情况，并根据数据进行控制。
尽管智能电表安装在公用设施侧，但它测量的是整个房子的能耗，而不是单个电器的能耗。为了解决这一问题，市场上出现了电源插头、智能插电式电表等智能设备。这些类型的仪表有助于有效地监测和控制单个设备。所以基于此，设计开发了一种低能耗、实时高效的管理系统。
- 目标
最初的工作是根据从文献调查中获得的知识构建系统的基本框图。下一步根据硬件的成本、性能、空间和精度要求对硬件元件进行了选择，设计了一个硬件模块，并对其进行了性能测试。拟议工作的主要目标如下。
·设计和开发用于测量电压、电流、功率、功率因数和频率的硬件模块。
·将硬件模块与微控制器连接，并开发用于计算不同参数的嵌入式C代码。
·通过建立应用程序和蓝牙模块之间的通信，开发用于监测、控制设备和测试蓝牙模块的Android应用程序。
·分析各种设备的功耗，并根据监测数据关闭负载设备。
- 实施
- 拟定框图
Fig.1.拟定监控监测框图
框图给出了系统的全貌。它由供电单元、微控制器、液晶显示器、电压电流测量单元、蓝牙模块、继电器控制器等主要模块组成。每个块都有执行自己的功能，并协同工作以提供所需的输出。框图如图1所示。
1）供电单元
供电单元是系统中最重要的部分之一。它的主要功能是把一种形式的电能转换成另一种形式。供电单元是根据所连接的负载来设计的。通过使用不同类型的二极管、电容器、电感和滤波电路，将插座的交流电源转换为直流电压。为了得到一个恒定的直流电压，采用了dc-dc降压变换器，输出电压为12V，用于驱动继电器电路。该输出被馈送到电压调节器7805以获得5V的电压值。5V被降压到3.3V，供微控制器单元和BLE模块使用。电源系统框图如图2所示。
Fig.2.提供不同电压的电源装置框图
2）微控制器单元
微控制器单元是系统中最重要的部分之一。一个模块中的所有组件都连接到微控制器单元，分别用于监测和控制功耗和继电器。微控制器中内置的ADC有助于将测量的电压和电流值转换为其数字等效值。本文所使用的微控制器是瑞萨电子公司新一代的RL78微控制器系列，图3是基于瑞萨RL78的微控制器。它有一个16位CISC架构，具有3级流水线。RL78基本上是为低功耗应用而设计的，能够以低成本提供节能系统。工作电压为1.9V至5.5V，片上ROM为6K至8K，闪存为64K或128K，由UART、I2C和IrDA等串行接口组成。A/D转换器和24位Delta;ƩA/D转换器。
Fig.3.基于瑞萨的微控制器
3）电流电压测量单元
对于功率的计算，需要的重要参数是电压、电流和功率因数。感测到的电压和电流以电压的形式作为ADC的输入。此输入电压值应小于ADC的参考电压值。框图显示了如图4所示的电压测量单元。
Fig.4.电压测量框图
当感应到交流输入时，使用电阻梯形电路降低电压，该电路的输出可能包含噪声系数。为了消除这种噪声，我们使用了抗混叠滤波器。将降压电压提供给Delta;ƩADC进行进一步计算。ADC的采样频率为2KHz，因此每个周期的采样数为40。转换后，采样值存储在某个寄存器中。对于电流测量，使用的主要部件是并联电阻器。测量该电阻器上的电压，然后再次降到其较低的电压值。接下来的步骤与电压测量过程相同。图5显示了通
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