權震華 羅 亮

(西南科技大學信息工程學院 四川綿陽 621010)

電能在當今社會中扮演著舉足輕重的角色，我們的生活、學習、工作都已離不開電能。然而如今的電能消耗與浪費日益嚴重，能源緊缺問題更加突出。智能化電能管理對電能的有效控制和節(jié)約起到了很大的積極作用，而對家庭生活用電情況進行管理是與我們息息相關的［1］。本文主要研究一種智能家居電能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對電能實現(xiàn)智能監(jiān)控，它符合現(xiàn)實背景，在智能家居領域將會有廣闊的應用前景。

1 智能家居電能監(jiān)控系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)基本結構由PC監(jiān)控平臺、電能監(jiān)控主站與電能監(jiān)控從站3個部分組成。

(1)PC監(jiān)控平臺。PC監(jiān)控平臺負責接收電能數(shù)據(jù)以及顯示相關電能數(shù)據(jù)表格，也負責更改下位機的工作狀態(tài)，并對電能監(jiān)控從站的IAP在線升級。(2)電能監(jiān)控主站。電能監(jiān)控主站主要是由Cortex－M0內(nèi)核的LPC11C14以及無線傳輸芯片NRF24L01組成，實現(xiàn)通過DTL645－2007多功能電表通信協(xié)議［2］接收多個從站發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機。(3)電能監(jiān)控從站。電能監(jiān)控從站主要由包含Cortex－M0內(nèi)核的電能計量芯片EM773、無線傳輸芯片NRF24L01，E2PROM、實時時鐘芯片和液晶顯示模塊組成。電能從站能精確測量電能參數(shù)信息，并具有分時計量功能，同時將數(shù)據(jù)通過DTL645－2007多功能電能表通信協(xié)議無線傳輸上傳到監(jiān)控主站。智能家居電能監(jiān)控系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram

2 電能采集終端設計

電能采集終端由EM773做為主控，EM773是一款基于ARM Cortex－M0內(nèi)核的低成本32位多功能電能計量IC，適用于8/16位智能儀表應用。EM773使用非常方便，片內(nèi)內(nèi)置計量引擎的軟件驅動程序，以便使應用工程師無需關心具體的內(nèi)部實現(xiàn)細節(jié)，只需調(diào)用API函數(shù)即可實現(xiàn)電能計量程序設計。EM773內(nèi)帶32位ARM公司最新內(nèi)核Cortex－M0，執(zhí)行速度快，功耗低，廣泛應用于智能家電，工業(yè)控制等行業(yè)。EM773對電流電壓采樣后，經(jīng)過一系列的公式變換，最后得出了采集的各種電壓電流信息。EM773能采樣出的信息包括:電壓、電流、有功功率、基波無功功率、視在功率、基波視在功率、功率因素、基波功率因素、非基波視在功率、非有功功率和電流總諧波失真［1］。

2.1 電能采集終端設計

EM773通過兩路電流測量通道I_HIGHGAIN和I_LOWGAIN來實現(xiàn)對電流的采樣，電壓測量則是通過VOLTAGE通道實現(xiàn)。

電壓采集電路如圖2所示。

圖2 電壓采集電路Fig.2 Voltage acquisition circuit

在這個電路中采用電壓互感器ETW205N對電壓進行一個電壓隔離并且縮小電壓，再通過運放調(diào)節(jié)到一個合適電壓輸入EM773進行電壓采集。

ETW205N對電壓縮小倍數(shù)通過雙端接入電阻來換算，輸出電壓計算公式為

由于電壓采集需要對電壓的全波進行采集，所以，必須在運放的正向輸入端加上1.65 V的偏置電壓，運放輸出電壓為

經(jīng)計算最后經(jīng)過運放放大后輸入到EM773的電壓范圍為2.451～2.697 V之間，符合0～3.3 V電壓范圍［1］。

電流采集電路如圖3所示。電流互感器采用ETW026A對電流進行調(diào)理，后端采用10 Ω電路轉換電流成電壓后進行兩通道運放轉換后輸入EM773進行電流采集。

電流互感器采用ETW026A對電流進行調(diào)理，輸出電流計算公式為

其中 I額定入=5 A，I額定出=2.5 mA。由此得知，電流互感器縮小電流倍數(shù)為2000倍。

當輸入電流小于1 A時，采用高增益端進行輸入，輸入電流經(jīng)互感器和運放共同計算為:

圖3 電流采集電路Fig.3 Electric current acquisition circuit

經(jīng)公式計算出高增益端輸入電流范圍為:0.52～1.63 V，滿足高增益電流采集。

當電流范圍在1～16 A時，高增益端電流已經(jīng)超過了3.3 V，所以在高增益端采用一個穩(wěn)壓三極管對高增益管腳進行穩(wěn)壓到3.3 V，否則會對系統(tǒng)采集造成影響。當電流范圍在1～16 A時，經(jīng)過電流互感器和低增益運放共同計算為:

經(jīng)公式計算出低增益端輸入電流范圍為0.49～2.81 V，滿足高增益電流采集［1］。

電路設計時在反饋電阻兩端并接小電容起到低通濾波的作用，還能防止自激震蕩的產(chǎn)生。

2.2 電能采集終端軟件設計

(1)數(shù)據(jù)采集與處理。通過調(diào)用EM773提供的計量引擎驅動庫，實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的采集，并且對電流數(shù)據(jù)進行峰谷值處理并且分類緩存。

(2)數(shù)據(jù)保存。由于數(shù)據(jù)種類多、量大，因此保存數(shù)據(jù)的時候需要對數(shù)據(jù)分類保存處理，因此，在外部存儲器實現(xiàn)一個Excel表格存儲系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行存放處理。

(3)無線通信。電能終端節(jié)點的數(shù)據(jù)通過無線上傳到上位機進行處理。無線通信協(xié)議采用DTL645－2007通信協(xié)議。通過無線通信實現(xiàn)多節(jié)點功能。

3 電能監(jiān)控主站

電能監(jiān)控主站主要負責電能監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)收集，將收集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線［3］傳送到服務器上進行數(shù)據(jù)分析，電能監(jiān)控主站之間通過CAN總線進行組網(wǎng)。每個電能監(jiān)控主站都有一個獨立的ID號用于上位機查找主站進行數(shù)據(jù)通信。電能監(jiān)控主站和電能監(jiān)控終端之間通過無線進行連接，一個電能監(jiān)控主站可以掛載256個電能監(jiān)控從站，并且穩(wěn)定通信。

4 系統(tǒng)測試

當系統(tǒng)程序完成后，對系統(tǒng)進行整體測試，打開PC監(jiān)控平臺軟件，選中電能采集終端進行數(shù)據(jù)讀取分析，通過電能監(jiān)控終端的實時數(shù)據(jù)進行繪制電信息柱狀圖。電能監(jiān)控柱狀圖如圖4所示。經(jīng)測試，系統(tǒng)運行正常，能實現(xiàn)家庭用電情況的智能監(jiān)控。

圖4 電能監(jiān)控柱狀圖Fig.4 Electric energy monitoring histogram

5 結論

本文介紹了一種采用EM773專用電能采集芯片設計電能監(jiān)控終端的設計方法［4］。通過電能采集終端和電能計量主站結合應用，實現(xiàn)了用電信息的采集和負荷狀況的監(jiān)測，對加強用電系統(tǒng)管理、提高電網(wǎng)的可靠性和實現(xiàn)用電管理自動化具有積極意義。

［1］忻龍彪，王東，龍在云.智能監(jiān)控電能表的設計與實現(xiàn)［J］.儀器儀表裝置，2010，(5):16－18.

［2］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.中華人民共和國電力行業(yè)標準［M］.2007.10－35.

［3］饒運濤.現(xiàn)場總線CAN原理于應用技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.23－78.

［4］歐潔云，黃皎，陸曉春.嵌入式網(wǎng)絡化儀表監(jiān)控系統(tǒng)的設計［J］.河海大學常州分校學報，2005，19(4):36－39.

［5］LI Ran，WU Jun-feng，WANG Hai-ying.Dept of Automation［C］.Design Method of CAN BUS Network Communication Structure for Electric Vehicle.2010.