基于Android的家用電器功耗分析系統(tǒng)的設(shè)計

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)的應用場景如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)應用場景

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)會有很廣闊的應用前景。

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