智能家居系统的DECT技术

DR.R.UDAYAKUMAR
印度金奈巴拉特大学信息技术系副教授

摘要

能源管理不仅对家庭很重要，对能源供应商也很重要。随着宽带普及率的不断提高，能源供应商和客户之间的信息交换以及智能家居管理系统成为可能。在本文中，我们提出了一个实用的智能家居系统，作为家庭内高效计量和通信的平台。家用电器与家庭网络的互联是通过轻巧、功能丰富、性价比高的DECT(数字增强无绳电信通信)技术实现的。此外，我们还提出了在智能能源电网中集成智能家居系统的概念。提出了一个模型，该模型作为系统组件的设计和原型实现的基础，包括能源管理设备(EMD)，基于最新技术的DECT通信接口。最后，我们提出了我们的原型系统的概念。

关键字

能源管理，电力计量，智能电网

介绍

能源管理是一个世界性的新课题。电力生产设施必须持续生产能源，以应对能源消耗的大幅波动，特别是在使用替代能源或突发故障的情况下。它们必须准备好峰值，但在消耗较少的时期，它们可以将剩余的能量储存起来。储存能量的技术有很多种:电池、大型超级电容器或大型机械系统。所有这些方法在如此大规模的情况下都非常昂贵。同时，低于满负荷运转的工厂效率低下;同样电量的成本比满负荷运行的成本要高。在能量的储存和回收过程中总会有一定的损失。然而，对即时波动做出反应是不可能的，因此能源生产公用事业公司总是生产比预期需要的更多的能源。

能源供应商(从现在起称为公用事业公司)在客户的家庭中放置电表，以测量任何时候的整体电力消耗。这些仪表由公用事业公司定期读取。能源账单是根据读消耗计算的。智能电网背后的主要思想是，电力公司应该能够通过让客户将负荷转移到非高峰时段来平衡负荷。最简单的方法是在非高峰时段和高峰时段以不同的价格收取能源。智能电网的另一个方面是向电网输送电力的能力，这在替代电力生产的情况下是必要的。以前的消费者可以通过投资于使用替代能源形式的能源生产技术而成为供应商。为了将能量反馈到电网，需要智能电表。

综上所述，为了提高能源生产效率，必须从消费者方面开始在系统中加入更多的智能。虽然家庭智能和网络集成受到了极大的重视，但实现这一目标的代价也不容忽视。安装和维护这样一个系统所需要的额外能量、成本和努力决定了它在市场上的竞争力。我们将介绍在AIM项目中开发的一种新型节能方法，该方法作为智能家居集成的平台，允许自由选择互连技术。在设计过程中，还考虑了系统的可扩展性和低功耗要求。基于该平台，我们证明了DECT是一种候选技术。

背景及相关工作

一些标准化机构正在制定适合智能家居和智能电网概念的网络标准。领先的标准化机构是CENELEC(欧洲电气技术标准化委员会)，其EN 50090标准是关于家庭和建筑电子系统(HBES)的。欧洲委员会还启动了若干处理有效能源管理的项目。

SmartHouse/SmartGrid FP7欧洲项目(http://www.smarthousesmartgrid.eu)专门致力于连接智能住宅和智能电网，并通过动态电价解决负载平衡问题。对于实用程序和智能电表之间的连接，它的目标是定义高级(基于web服务的)接口。在[2]中，他们展示了他们开发的基于智能住宅和智能电网的基于服务的系统。其他去中心化方法包括基于中央控制站[8]信息的去中心化决策和[7]中提出的基于代理的电力基础设施控制。为电网供需匹配(SDM)提供了基于市场的控制概念。在[6]中提出了一种面向动态服务的能源网络业务模型，并对其安全性和业务方面进行了讨论。

与其他解决方案不同，我们的系统不仅针对智能计量和控制，还针对设备的能源分析和与能源供应商的相互沟通，以减少客户的能源消耗和先进的定价，并为供应商提供更好的能源管理和可再生能源资源的使用。

在我们的研究中使用的智能家居的一般架构在第3节中介绍。在第4节中，我们描述了我们的智能家居系统实现。第5部分介绍了我们开发的通信协议。本系统提供的服务详见第6节。最后在第7节对本文进行总结。

智能家居系统

AIM项目的[12]主要重点是培育一种大规模使用的技术，用于分析和优化家用电器的能源消耗模式。该项目的目的是创建一个端到端系统，其中虚拟家电功能和公用事业服务在未来家庭网关的公共逻辑下部署。AIM的目标是创建一个嵌入式能源管理设备(EMD)，它可以为现有的家用电器提供基本的能源管理功能。在EMD的基础上，通过识别家电产品的预定能耗模式，实现节能目标。该项目还旨在在家庭网关上创建基于SOA(面向服务的体系结构)的逻辑，将EMD管理的家用电器集成到家庭网络中。与现有的电能表相反，EMD的设计成本很低，大部分数据都在网关上处理。虽然为系统组件的互连定义了完整的逻辑层结构，但物理层通信接口并没有严格限制，允许制造商使用他们首选的技术。

我们将介绍AIM项目中开发的一个概念，该概念将作为我们研究的基础。我们将要介绍的能源管理模型旨在为家庭中的单个电器实现智能家居系统。本系统主要实现以下目标:

-提供一种可以将家用电器集成到家庭网络的设备

-定义家用电器的能量分布，可以在不定期计量的情况下将能量状态分配给家电

-为制造商提供如何提交能源分析状态信息的指导

-记录普通电器的能量分布

-关闭显示待机模式的电器

-通过接入公用事业服务，根据所选设备配置文件实时计算价格

包含关键组件的模型如图1所示。EMD作为所附电器的能源管理功能与家庭网络之间的通信接口。

使用符合AIM标准的设备的能量模式，可以通过请求设备的状态轻松确定设备的消耗，从而排除了持续监控的需要。此外，通过物理关闭指示处于待机模式的设备，可以进一步节省能源。能源供应商(公用事业公司)在AIM系统中起着重要作用。通过向公用事业公司的服务请求能源价格，并根据设备配置文件，系统可以预先计算出按某一程序或在一段时间内运行设备的价格。该系统可通过在能源价格较低时(例如在非高峰时段)转移设备操作来实现成本节约。位于家庭网关上的智能逻辑运行管理设备的服务，并为远程管理提供控制点。

我们的智能家居系统组成

基于本章中所描述的概念，我们提出了我们开发的解决方案。我们的目标是开发一个系统，通过这个系统，家用电器可以连接到一个联网的、远程访问的系统。使之成为可能的中间件(硬件和软件组件)被称为能源管理设备，即它是智能设备集成的构建块。

系统能够为家庭和外部网络虚拟化家庭网关上的每个设备，以实现管理目的。在EMD内部实现了以下功能:功耗监控、基本功率控制、设备配置文件编程、设备配置文件识别。

所实现的系统在模块化级别上的总体架构如图2所示。家庭网关通过标准接口(在我们的实现中通过DECT)与能源管理设备通信。设备通过EMD获取电力，EMD可以测量其消耗。根据已编程的设备配置文件，EMD可以将电源状态分配给设备，而不需要不断监控其消耗。

A.能源管理装置

能源管理装置背后的主要思想是将家用电器置于家庭的公共管理逻辑之下。这些设备设计得既便宜又简单，但不能取代智能电表，因为智能电表是非常昂贵和非常坚固的设备。实际用电量由电力公司安装的智能电表监控，生产用电则由电力公司使用净电表计费。设备将使用emd来监控消费，并通过托管在家庭网关上的管理逻辑提供远程控制。

EMD应该能够实现两个基本功能:电力消耗计量和电力控制。它应该具有一个通向家庭网关的通信接口，以便能够访问其功能。为了在市场上具有竞争力，该设备必须便宜，并且必须以低功率运行。此外，连接到器具的EMD可以测量能源效率，发出器具的任何异常行为的信号，甚至可以立即采取安全预防措施，以防止损坏或伤害。

我们所实现的EMD包括一个功率计量逻辑和一个功率控制逻辑。电力线按照上图所示的顺序经过功率计量逻辑和功率控制逻辑。因此，测量结果不会因功率控制逻辑而改变。功率计量和功率控制逻辑由一个微控制器控制，运行所需的功率可以忽略不计。通过使用微控制器的低功耗休眠模式来满足低功耗要求。DECT接口只有在指定的接收和发送时段之前才会唤醒，否则将进入低功耗状态。

电力计量逻辑必须实时测量负载的真实功率，并进行常数积分来计算和存储消耗。通过电源控制逻辑，它必须能够关闭负载。功率测量需要两个电路，一个用于电压测量，一个用于电流测量。对于电流测量，可以使用霍尔传感器测量导体的磁场与电流成正比。使用这种解决方案无需与负载进行物理接触来测量电流。雷竞技网页版

对于功率控制逻辑，最简单的解决方案是使用一个继电器，它可以由微控制器的低压输出驱动。与继电器的大尺寸相反，也可以使用可控硅，但这需要零交叉检测。后者有一个额外的优势，是可调的功率控制，如灯光调暗。

B. EMD与Gateway之间的通信

对于通信接口，我们考虑了许多有线和无线技术。我们的第一个候选是基于电力线的接口，但是基于KNX的EMD实现已经在项目[1]中实现。

我们的选择，DECT技术有许多优势，使其与其他无线技术，甚至与电力线竞争。与IEEE 802.11 WLAN[10]相比，它对资源的要求更低，而且相当便宜。与ZigBee[11]相反，它在受保护的频率范围内工作。Z-Wave[14]可能是一个很好的选择，但它是专利技术。然而，最大的好处是现有的基础设施已经在许多家庭中可用，根据家庭网关计划的建议，它将包括在未来的每个家庭网关[5]中。DECT是一种广泛应用的技术，DECT电话因其价格便宜、可靠而被广泛用于PSTN服务的无线扩展。

通过网关上的请求(来自web服务器或UPnP服务器)到emd的数据调用被使用，这提供了一个分组交换连接。我们已经在这个连接上定义了一个简单的基于请求-响应的协议(图4)，这将在第5节中介绍。

C.家庭网关

家庭网关计划(HGI)还追求家庭中不同技术的集成，定义了家庭网关的需求和用例，家庭网关将成为家庭的中央服务提供商。关于家庭网关概念，Lantiq(一家领先的接入和家庭网络公司)将发布首款符合CAT-iq标准的家庭网关和手机产品。

我们的目标是找到一个支持DECT基站功能和支持新一代DECT功能的网关平台。我们选择了Lantiq的基于ARX的参考解决方案，并支持语音。该芯片上运行的操作系统是流行的OpenWRT (http://www.openwrt.org/)，这是一个模块化的操作系统，可以轻松地开发和交叉编译到多种类型的设备上。操作系统的基础是Linux内核。

低功耗也是网关的一个非常重要的问题。Linux ACPI电源管理可用于资源管理。ARX平台的电源管理功能可以使用特定的ACPI驱动程序来实现。Linux资源管理提供了一个API来控制网关[13]的电源状态。

使用ddetect / cat-iq进行emd-gateway通信

数字增强无绳通信最初是一种无线电话标准。在通话过程中，移动部分(PP，手持设备)和固定部分(FP，基站)在各自分配的时隙内分别发送上行和下行数据。最初的DECT标准已经定义了创建DECT蜂窝网络的可能性。基站在一个地区的分布增加了DECT的覆盖范围，也增加了可用设备的数量。

目前，DECT正在进行重大转型。即将取代DECT的CAT-iq (http://www.cat-iq.org)标准集有许多有趣的功能。主要目标是从以前的“仅无线电话”场景中发展出来，成为支持QoS并使用以上IP通信的通用无线技术。CAT-iq的一般目标是为家用电器提供互联网连接，这需要低数据率，但服务质量。其他应用程序，如传感器网络集成和家庭控制也在定义中。

我们使用DECT分组无线电服务(DPRS)标准[9]中定义的数据调用特性实现了高于标准DECT操作的解决方案。因此，调用由网关请求的可移植部分(附加到EMD)发起。标准DECT帧的长度是40字节，因此Data字段(数据长度)的最大长度是35字节，因此没有消息必须被分片。

基本功能所需的简单消息如下表所示。网关可以发送打开或关闭消息并等待响应。有一个请求状态消息用于获取EMD的状态。EMD仅在请求状态、请求度量或请求ID消息请求时才发送消息。

由于系统必须支持多个设备，因此有必要将这些设备彼此区分开来。为此，每个EMD都有一个标识号(ID号)，该标识号可以是序列号(唯一的、不可更改的、由制造商设置)，也可以是用户输入的数字。

除了EMD消息外，网关还可以请求连接的EMD的数量。在网关上的整个DECT连接中，连接的EMD由通信发生的频率和时隙来区分。当网关请求EMD列表时，网关收集它与EMD通信的频率-时隙对。

根据标准，DECT系统可以在10个频率中的每个频率上支持24个设备，在全双工模式下总共支持240和120个设备。因此，从理论上讲，被称为便携式部件(PP)的120部手机可以在一个名为固定部件(FP)的基站在不同频率上工作的系统中使用。通信健壮，重传由DECT协议处理，延迟很低，大约10毫秒。

表格

系统消息

服务访问和管理

智能家居系统以网关本身托管的网站形式提供IP上的远程访问接口，并提供用于一般远程交互的UPnP服务。在网关上，我们开发了一个应用程序，为系统中发现的每个EMD实现一个UPnP控制器。我们的管理系统的控制点是一个托管在网关本身上的网页。

在网关上建立了一个web服务器，该服务器承载了我们能源管理系统的网站。有登录界面进行认证，登录成功后进入管理界面。这个页面包含已发现的电器的列表，显示电器的状态(开/关)，并显示电器的瞬时消耗量。有一些控件可以改变设备的状态。登录后，每个具有EMD的设备都会列出它们的状态和瞬时消耗。我们还在网关上实现了UPnP服务器功能，以与项目中使用的管理接口保持一致。项目中实现的高级智能家居逻辑通过UPnP单独访问所有设备。

我们的实现基于libupnp，这是一个开源的UPnP开发工具包。这个应用程序通过访问DECT模块的驱动程序来执行DECT- upnp桥接。我们的emd作为UPnP设备托管，具有以下服务:设备名称请求、状态请求、瞬时能量请求和一段时间间隔的综合消耗请求。图5所示为组件概述和提供的接口。通过DECT基础设施，我们计划在手机上实现一个用户界面，该界面可以承载系统功能的一个子集。

结论

交互式能源管理系统对消费者、供应商和间接环境都非常有益，因此在未来是需要的。

我们已经介绍了一个未来智能电网的模型，其中智能家居是关键角色。智能家居由提供能源管理功能的智能电器组成。为了将现有设备集成到智能家居中，我们创建了一个能源管理设备(EMD)。emd通过现有网关平台上已经存在的DECT无线接口连接到家庭网关。这个解决方案不需要额外昂贵的硬件。网关上的网站提供远程用户访问，而UPnP服务器简化了智能家居与智能电网的集成。从基本功能出发，未来可以在家庭网关中开发复杂的逻辑，使用实用程序为其管理功能提供的接口实现对设备的自动化控制。

基于DECT系统提供的可能性，特别是考虑到即将到来的CAT-iq标准，我们在EMD和网关之间设计了一个简单、健壮的通信协议。

我们这个系统的目标是为家庭提供一个廉价的解决方案，使他们的家庭智能化。未来智能电网需要智能能源管理。