劉迎澍,楊 峰,李 冰

(1.天津大學 電氣與自動化工程學院,天津 300072; 2.天津市建筑設(shè)計院 天津 300074 )

基于電力線載波的智能插座設(shè)計

劉迎澍1,楊 峰1,李 冰2

(1.天津大學 電氣與自動化工程學院,天津 300072; 2.天津市建筑設(shè)計院 天津 300074 )

為了組建一個家庭電能網(wǎng)絡(luò),以使所有的電器協(xié)調(diào)運行從而達到節(jié)能最大化的目的,提出了一種基于電力載波通信的智能插座設(shè)計方案,并完成了智能插座的軟硬件設(shè)計.該智能插座以ATmega16為主控制器,集成了IT700PIM電力線載波、TM7755電能計量、繼電器等模塊,并與具有電力線載波通信和web server功能嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)相結(jié)合,實現(xiàn)了各種電器的遠程監(jiān)測和管理.實驗結(jié)果表明,該智能插座達到了設(shè)計要求,滿足智能家居的需要.

電力線載波;智能插座;家庭網(wǎng)關(guān);電能管理

大量電子產(chǎn)品及電器的使用造成了家庭和辦公領(lǐng)域的能源消耗急劇增長,節(jié)能問題迫在眉睫.因此組建一個電能網(wǎng)絡(luò)對用戶的電器進行監(jiān)測并優(yōu)化各電器的運行,從而達到節(jié)約電能的目的,顯然是十分必要的.構(gòu)建一個家庭電能管理網(wǎng)絡(luò),最直接的方法是對各種電器進行改造,使其可以監(jiān)控自身用電并具有通信功能[1].然而,目前住宅及辦公室中的電器大多數(shù)還不具有此種功能,因此這種方法成本高昂,可行性不高.作為連接市電與用戶電器的最常用中間部件,通過對插座的改造,開發(fā)一種具有監(jiān)控和通信功能的智能插座,同樣可以監(jiān)控用戶電器用電,且此種方法簡便易行[2].與此同時隨著數(shù)字家庭和智能樓宇的發(fā)展,電力線載波PLC(Power Line Communication)技術(shù)重新得到了重視,它不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)就可以進行數(shù)據(jù)傳送,并且在一個家庭或一個樓宇范圍內(nèi)充分屏蔽了PLC的局限性,非常適用于組建家庭和辦公領(lǐng)域用戶的電能網(wǎng)絡(luò)上[3].

文中設(shè)計的基于電力載波通信的智能插座與具有電力線載波通信和web server嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)結(jié)合,通過電力線載波通信組成用戶電能網(wǎng)絡(luò),用戶可以隨時以各種方式登錄Internet對家電進行控制并可以隨時查詢家電的各種狀態(tài),并根據(jù)電能消費情況制定合理的用電方案,最大限度的減少電能支出,實現(xiàn)家庭的電能管理[4].

1 硬件設(shè)計

智能插座的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.系統(tǒng)以AVR單片機ATmega16作為核心控制器,負責控制和協(xié)調(diào)各模塊的工作,實現(xiàn)各家用電器的控制和電能信息的采集.采用220 V轉(zhuǎn)5 V最大功率為2.5 W的AC/DC為各模塊供電;市電頻率采樣電路完成對電網(wǎng)頻率的監(jiān)測;以TM7755為核心的電能計量模塊完成對用戶電器用電量及功率的計量;電力線載波模塊完成智能插座與外部的信息交互;開關(guān)驅(qū)動和繼電器完成對用戶電器供電和斷電的控制;DS1302時鐘芯片為智能插座提供精確時間.

1.1 ATmega16控制核心

ATmega16是ATMEL公司生產(chǎn)的8位CMOS微控制器,它采用基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu).與普通的8位單片機相比, ATmega16具有運算速度快,資源豐富、功耗低等特點,

圖1 智能插座的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Hardware structure of intelligent electrical outlet

適用于工業(yè)實時控制、智能儀表、家用電器等多個領(lǐng)域. ATmega16運行的最小系統(tǒng)外圍電路、調(diào)試開關(guān)、電力線載波模塊接口及JTAG程序下載接口連接較為簡單,在此不做詳述.

1.2 IT700PIM電力線載波通信模塊

IT700PIM是以色列Yitran公司生產(chǎn)的以高度集成的系統(tǒng)級電力線載波通信芯片IT700為核心的電力線載波通信模塊. IT700采用DSCK調(diào)制方式,集成的模擬前端為其提供了不同的線路驅(qū)動能力,使數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定可靠.IT700芯片整合了極其強大的物理層(PHY)、高性能的數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)以及穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)層(Y-Net)協(xié)議.同時IT700還為協(xié)議棧配備了一個256K字節(jié)Flash的8051微控制器,另外還有24個通用I/O端口供實際應用.IT700PIM配有專用的AC/DC電源模塊,內(nèi)部集成信號耦合器,該電源模塊的功率為2.5W,可為IT700PIM模塊提供3.3 V直流電源及電力線通信接口,同時還提供5 V直流電源用于為其它功能模塊供電.IT700PIM的所有輸入引腳均兼容5 V電平,只需給IT700PIM輸出給ATmega16單片機的串口信號電平做電平轉(zhuǎn)換即可,電平轉(zhuǎn)換采用4-2輸入與門芯片74HCT08進行.IT700PIM模塊的外圍電路如圖2所示.

1.3 電能計量模塊

電能計量模塊以電能計量專用芯片TM7755為核心,并設(shè)計相應的電流及電壓采樣電路.本設(shè)計中對電壓采樣選擇電阻分壓方式;對電流采樣選擇電流互感器方式[5].TM7755的外圍電路如圖3所示.CF引腳的輸出與ATmega16單片機的外部中斷口0接口用于對高頻脈沖計數(shù),單片機內(nèi)部的定時器可用于設(shè)定脈沖計數(shù)的定時,有脈沖計數(shù)和定時時間可得相應的電能和平均功率.

1.4 其他模塊電路設(shè)計

市電頻率采集模塊:為了維護家庭配電系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全,特別是大量使用分布式新能源的家庭,需要對電網(wǎng)進行頻率的監(jiān)測.本設(shè)計采用220 V正弦交流電壓信號首先經(jīng)二極管整流電路及分壓電路轉(zhuǎn)化為峰值小于5 V的半波正弦交流電壓信號,其后經(jīng)比較器跟隨電路將信號輸入至另一比較器進行電壓比較,從而將頻率信號轉(zhuǎn)化為單片機可接收的5 V方波信號.

時鐘模塊:為了給智能插座提供精確的電子時鐘,本設(shè)計使用精確時鐘芯片DS1302,其中包含31字節(jié)的靜態(tài)RAM和可編程的實時時鐘,可通過串行方式與主控制器通信.設(shè)計使用供電電壓為3.3 V的紐扣電池作為備用電源,保證時鐘芯片在主電源斷電的情況下依然可以正常工作.

存儲模塊:智能插座中需要存儲用戶電器的歷史用電數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)更新頻繁,為了保其在斷電時不丟失,本設(shè)計采用低功耗E2PROM,AT24C02作為數(shù)據(jù)存儲器.AT24C02工作電壓幅度寬,在2.5～5.5 V之間;擦寫速度快,小于10 ms;容量為256X8 bit,完全可以滿足本設(shè)計的數(shù)據(jù)存儲量;抗干擾能力強,數(shù)據(jù)不易丟失;支持I2C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,只需占用主控器的兩個I/O端口,就可與主控制器完成通信.

開關(guān)驅(qū)動模塊:開關(guān)驅(qū)動模塊用于通過弱電控制智能插座供電的通斷,本設(shè)計采用固態(tài)繼電器.開關(guān)驅(qū)動模塊中限流電阻輸入引腳與ATmega16控制核心的I/O口相連,當相連的I/O引腳輸出為低電平時,智能插座供電導通;當相連的I/O引腳輸出為高電平時,智能插座停止供電.

2 軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

智能插座主要實現(xiàn)電能計量、市電頻率計量、數(shù)據(jù)的存儲及通信的功能.主程序負責各功能模塊的調(diào)度和管理,其流程如圖 4所示.

主程序主要包括ATmega16內(nèi)部看門狗定時器、I/O輸入輸出狀態(tài)、中斷相關(guān)寄存器以及串口通信的設(shè)置,IT700PIM電力線載波通信模塊及系統(tǒng)入網(wǎng)的初始化;系統(tǒng)將日、月用電量的歷史電量數(shù)據(jù)存儲于E2PROM中,每次上電復位后,都要通過讀取E2PROM的數(shù)據(jù)完成歷史電量數(shù)據(jù)的恢復;在主循環(huán)中為各個子程序執(zhí)行設(shè)定條件,當條件滿足時,則程序調(diào)用相應的子程序以完成相應的功能.

圖4 主程序流程圖Fig. 4 Flow chart of main program

2.2 子程序設(shè)計

電能計量中斷服務子程序:TM7755的CF引腳連接至控制核心ATmega16的外部中斷0引腳,當外部中斷0引腳收到電能脈沖時,進入電能計量中斷服務子程序.進入中斷服務程序后首先將電能計數(shù)加1,并根據(jù)脈沖數(shù)進行平均功率的更新和日、月用電量的積累.

市電頻率計量中斷服務子程序:利用ATmega16的輸入捕捉功能可獲得方波信號兩脈沖間的時間差值,從而實現(xiàn)對市電頻率的計算.

數(shù)據(jù)存儲子程序:當數(shù)據(jù)存儲標志位置位時,程序進入數(shù)據(jù)存儲子程序,將日、月電量數(shù)據(jù)采用字節(jié)寫方式寫入

E2PROM存儲器AT24C02之中.

數(shù)據(jù)發(fā)送及數(shù)據(jù)接收子程序:當數(shù)據(jù)發(fā)送標志位置位時,程序進入數(shù)據(jù)發(fā)送子程序.報文發(fā)送按照IT700報文發(fā)送命令請求格式進行,需將發(fā)送的數(shù)據(jù)處理為字節(jié)形式,以便進行報文IT700報文發(fā)送命令請求格式的填充[6].報文發(fā)送的數(shù)據(jù)包括:智能插座編號、當前時間、市電頻率、平均功率、日用電量、月用電量.當數(shù)據(jù)接收標志位置位時,程序進入數(shù)據(jù)接收子程序,控制智能插座繼電器的通斷,從而實現(xiàn)智能插座對用戶電器供電和斷電的控制.

3 測試結(jié)果

為測試該智能插座的聯(lián)網(wǎng)效果,搭建PLC網(wǎng)絡(luò)通信實驗平臺,由4個智能插座、1個由課題組自主研發(fā)的具有電力線載波通信及web server功能的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)和PC機構(gòu)成.家庭網(wǎng)關(guān)由IT700電力線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、AVR控制器模塊以及存儲、電源等輔助模塊構(gòu)成.實驗中網(wǎng)關(guān)的PLC模塊直接與PC機通過串口相連,PC機使用Yitran公司開發(fā)的IT700PLCStudio軟件,在線監(jiān)視PLC網(wǎng)絡(luò)的運行情況測試各智能插座能否成功組網(wǎng)及組網(wǎng)所需時間.為了驗證PLC網(wǎng)絡(luò)通信的抗干擾能力,加干擾后測試各節(jié)點能否成功組網(wǎng)及組網(wǎng)所需時間,如表1所示,表明智能插座的組網(wǎng)時間短、抗干擾能力強.

表1 節(jié)點組網(wǎng)時間Tab.1 Node network time

利用Dreamweaver網(wǎng)頁設(shè)計平臺完成了家庭電能管理系統(tǒng)登陸界面和主界面網(wǎng)頁的設(shè)計,在家庭能量管理系統(tǒng)主界面中,可以查看各個智能插座的相關(guān)信息,同時還可以對用戶各電器進行控制.本設(shè)計中,通過網(wǎng)頁左上角智能插座1、智能插座2等按鈕查看各個插座的能量信息;通過左下角的圖片按鈕控制智能插座時候?qū)﹄娖鞴╇?通過右邊的網(wǎng)絡(luò)示意圖顯示智能插座是否正常組網(wǎng).在瀏覽器中輸入嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)的IP地址后,首先進入登陸界面,輸入用戶名和密碼后進入家庭能量管理系統(tǒng)主頁面.從頁面的效果可以看出,本設(shè)計實現(xiàn)了家庭能量管理系統(tǒng)的基本功能,主頁面正確顯示了相應的信息,完成了預期的目標.

4 結(jié) 論

圖5 家庭能量管理系統(tǒng)主界面Fig. 5 Family power management outlet main interface

文中采用ATmega16處理器和IT700PIM電力線波、TM7755電能計量、繼電器等模塊,實現(xiàn)了智能插座的設(shè)計.該設(shè)計方案具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作方式靈活可靠、通信距離較遠、抗干擾能力強等特點.實驗證明:該智能插座可以通過電力線載波通信組成用戶電能網(wǎng)絡(luò)從而控制優(yōu)化各個房間家用電器的運行,最終達到節(jié)約電能的目的,可以廣泛的應用到智能家庭和智能樓宇系統(tǒng)中.

[1] NiyatoD,XIAOLu,WANG Ping.Machine-to-Machine Communications for Home Energy Management System in Smart Grid[J]. IEEE Communications Magazine, 2011,49(4): 53-59.

[2] SONG Guangming,DING Fei,ZHANG Wei-juan, et al. A wireless power outlet system for smart homes[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2011,54(4): 432-437.

[3] 孫萍,馬維華.基于電力載波通信的家電控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [J].微型機與應用,2012,31(1):23-26. SUN Ping,MA Wei-hua. Design and realization of appliances control system based on power line communication[J]. Microcomputer & Its Applications,2012,31(1):23-26.

[4] 李冰.基于電力線通信的家庭能量管理系統(tǒng)[D].天津,天津大學大學,2011.

[5] 項粵生,高瑞霞,鄔楊波,等.基于單片機的智能插座的設(shè)計與實現(xiàn) [J].工業(yè)控制計算機,2012,25(9):129-131. XIANG Yue-sheng,GAO Rui-xia,WU Yang-bo,et al.Design of intelligent socket based on single chip microcomputer [J].Industrial Control Computer,2012,25(9):129-131.

[6] 劉迎澍,李冰,姜偉峰. 基于多主站模式的低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)層管理協(xié)議[J].電力自動化設(shè)備,2012,32(8):118-123. LIU Ying-shu, LI Bing, JIANG Wei-feng. Network-layer management protocol of low-voltage PLC based on multi-mater mode[J].Electric Power Automation Equipment,2012,32(8):118-123.

Design of intelligent electrical outlet based on power line carrier

LIU Ying-shu1, YANG Feng1, LI Bing2
(1. School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Tianjin Architecture Design Institute, Tianjin 300074, China)

In order to construct a family power network to coordinate their running and realize the maximum energy conservation, this paper proposes a design scheme of intelligent electrical outlet based on power line carrier and completes the design of software and hardware.With ATmega16 as the principal controller, this intelligent electrical outlet is integrated with the power line carrier IT700PIM, electric measurement chip TM7755 and relay modules and so on. It's also combined with an embedded family gateway that has the abilities of power line carrier communication and web server, realizing remote monitoring and management for all kinds of electrical appliances. Experimental results show that this intelligent electrical outlet can achieve the design requirement, meeting the requirements of intelligent household.

power line communication; intelligent electrical outlet; home gateway; power management

TN87

A

1674-6236(2014)07-0165-04

2013-08-10稿件編號:201308073

劉迎澍(1971-),男,天津人,博士,副教授.研究方向:基于Web的信息與控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)及應用、智能電網(wǎng).