南京工程學(xué)院 楊子躍 王志杰 陳 偉 黃啟明

一種微功耗的多功能安全智能插座

南京工程學(xué)院 楊子躍 王志杰 陳 偉 黃啟明

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，智能家居的發(fā)展是未來的一種趨勢，而智能插座是智能家居的重要組成部分。該智能插座具有微功耗與多功能的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，定時(shí)開關(guān)，電量統(tǒng)計(jì)，LCD實(shí)時(shí)顯示電器運(yùn)行的狀態(tài)等功能。用戶可以通過定時(shí)開關(guān)、手機(jī)短信等方法控制插座的通斷。在安全方面，它具有過流保護(hù)、漏電檢測、短路保護(hù)等功能，多重保護(hù)也可以最大限度的確保人身安全。文中對插座的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，主要包含主控制芯片、電源模塊、信號(hào)采集和處理模塊、電能計(jì)量模塊、定時(shí)模塊、電路保護(hù)、顯示模塊等模塊的設(shè)計(jì)。同時(shí)給出了軟件設(shè)計(jì)流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該智能插座具有很強(qiáng)的實(shí)用性以及可靠的安全保障，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，該產(chǎn)品也將擁有廣闊的市場前景。

智能插座；多功能；智能家居；GPRS；微功耗

1 引言

智能家居這個(gè)概念起源很早，但是具體的智能家居建筑案例直到1984年才出現(xiàn)。美國聯(lián)合科技公司(United Techno1ogies Building System)將建筑設(shè)備信息化、整合化概念應(yīng)用于美國康乃迪克州(Conneticut)哈特佛市(Hartford)的City Place Building，從此揭開了全世界爭相建造智能家居的序幕[1]。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種不同功能的智能插座，包括漏電保護(hù)型、定時(shí)型、主路控制型、遠(yuǎn)程控制型、計(jì)量型等多種類型[2]。歐洲智能系統(tǒng)集成技術(shù)組織（EPoSS）認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)將在未來生活的多個(gè)方面包括節(jié)能應(yīng)用上發(fā)揮巨大作用[3]。智能插座（Smart Socket），是在物聯(lián)網(wǎng)概念下，和智能家居的概念伴隨發(fā)展的產(chǎn)品。它可以遙控插座通斷電流，設(shè)定插座的定時(shí)開關(guān)。用戶可以根據(jù)自身情況來控制各用電設(shè)備的開關(guān)，這為居民用電提供了極大的方便，同時(shí)也減小了用電的安全隱患。智能電表是微控制器技術(shù)、專用集成電路技術(shù)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件等多種技術(shù)共同發(fā)展的結(jié)果。其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，涉及電力系統(tǒng)，工業(yè)生產(chǎn)控制、智能小區(qū)、網(wǎng)絡(luò)化家電等各行各業(yè)，具有良好的發(fā)展前景[4]。智能插座內(nèi)部均集成了微處理器芯片，可進(jìn)行智能處理，但目前的智能插座設(shè)計(jì)以提供單一的保護(hù)、監(jiān)測、或控制為主，產(chǎn)品功能較為單一，很難實(shí)現(xiàn)信息化和遠(yuǎn)程控制，還無法達(dá)到智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用要求[5]。而本文所開發(fā)的是一種以微功耗單片機(jī)K60FN1MO為控制核心、具有遠(yuǎn)程控制，定時(shí)開關(guān)，電量統(tǒng)計(jì)，LCD實(shí)時(shí)顯示電器運(yùn)行的狀態(tài)功能的智能插座。該插座能夠接收遠(yuǎn)程的遙控信息，人們可以在任何地方通過手機(jī)消息的方式控制插座的開斷，從而控制家中的電器的工作。插座可以定時(shí)開關(guān)，以滿足家中大功率電器設(shè)備盡可能在用電低谷的夜晚工作。英國牛津大學(xué)環(huán)境學(xué)院在2006年的一份報(bào)告中闡述了實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)家用電器耗電量的意義和必要性[6]。谷歌的研究顯示：如果家庭用戶能夠及時(shí)了解家用電器的詳細(xì)耗電信息，就會(huì)使自己每月的電費(fèi)開支下降5%～15%，如果一個(gè)一般家庭每月節(jié)省這么多的開支，全美國會(huì)減少相當(dāng)于800萬輛行駛中的汽車的碳排放量[7]。另外，智能插座能夠?qū)τ秒娫O(shè)備智能檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)諧波測量，過電壓，電流保護(hù)，浪涌保護(hù)，輸出功率可調(diào)，電量計(jì)算等功能，并可以在顯示器中實(shí)時(shí)顯示電器運(yùn)行時(shí)的電壓電流等情況。

2 技術(shù)概述

本方案以單片機(jī)為核心，通過對其進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)該單片機(jī)對其外圍電路的適時(shí)控制，并提供給外圍電路各種所需的信號(hào),大大簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)更重要的是該種設(shè)計(jì)方案大大節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，并且由于是采用軟件編程技術(shù)，所以其移植性能好，在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以將其他更多的功能設(shè)計(jì)進(jìn)去，而我們在設(shè)計(jì)電路板時(shí)就可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)目的焊接元件[8]。智能插座結(jié)構(gòu)圖見圖1。插座主控制器選用飛思卡爾K60微功耗單片機(jī)，智能插座的硬件系統(tǒng)由信號(hào)采集和處理模塊、單片機(jī)系統(tǒng)模塊、電源模塊、電能計(jì)量模塊、定時(shí)模塊、保護(hù)模塊、LCD顯示模塊等組成。當(dāng)用電器接入插座后，電能計(jì)量模塊內(nèi)的計(jì)量芯片ADE7858可以計(jì)算出用電量。當(dāng)用戶希望能夠遠(yuǎn)程控制接在智能插座上的用電器的開或斷時(shí)，便可以使用手機(jī)GPRS流量發(fā)送信息，信號(hào)接收工作由插座上的GSM模塊完成。保護(hù)模塊擁有雙重保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載過大、發(fā)生漏電以及觸電事故時(shí)可以及時(shí)切斷電源。各模塊測得的電壓、電流、有功功率、用電量等數(shù)據(jù)都會(huì)顯示出來，方便用戶了解電器工作情況。電力電子技術(shù)是計(jì)算技術(shù)在電力系統(tǒng)中的具體實(shí)現(xiàn)，隨著電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)化和信息化的水平不斷提高，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的作用也越發(fā)明顯。簡單的說，電力電子技術(shù)就是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)將強(qiáng)電和弱電進(jìn)行有效的組合，它是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、電子技術(shù)、電路技術(shù)還有電力控制技術(shù)為一體的服務(wù)性的技術(shù)[9]。

圖1 智能插座結(jié)構(gòu)圖

圖2 軟件流程圖

3.插座硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制芯片

本智能插座使用的主控制芯片為Freescale公司Kinetis K60系列MCU，其原理圖如圖2所示。該芯片的工作電壓為1.71-3.6V,閃存的寫電壓為1.71-3.6V,采用ARM Cortex-M4內(nèi)核，其性能可達(dá)到1.25Dhrystone MIPS/MHz。該系列提供高達(dá)180MHz的性能和IEEE 1588以太網(wǎng)MAC，用于工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境中的精確的、實(shí)時(shí)的時(shí)間控制，具有豐富的電路、通信、定時(shí)器和控制外圍電路。

3.1.1 通訊功能

（1）帶有IEEE1588協(xié)議的以太網(wǎng)MAC層（ENET）：硬件支持IEEE1588的10/100MB/s以太網(wǎng)MAC(MII和RMII)。

（2）I2C：允許許多設(shè)備之間的通信。

在K60以上兩個(gè)功能的支持下，可以完成通信模塊的所需要的GPRS的信息交流和以太網(wǎng)信息上傳。

3.1.2 計(jì)量功能

（1）Flash存儲(chǔ)控制器：通過多種外設(shè)主機(jī)和內(nèi)核，管理程序進(jìn)行RAM。

（2）ADC和PGA：內(nèi)部集成可編程放大增益濾波器的16位高精度ADC。

結(jié)合計(jì)量模塊的ADE7878芯片，便可以進(jìn)行電壓、電流、電量的數(shù)值的計(jì)量。

3.2 電源模塊

該模塊為智能插座提供電源，分為線路電源與電池。線路電源為主，電池為輔。當(dāng)線路由于過載或漏電而斷開時(shí)，則由電池供電。該模塊主要為主控制器、信號(hào)采集和處理模塊提供電源。

3.3 信號(hào)采集和處理模塊

信號(hào)的采集與處理起著遠(yuǎn)程控制的作用。用戶可以通過手機(jī)的GPRS流量來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。GPRS網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。GPRS工作時(shí)，通過路由管理來進(jìn)行尋址和建立數(shù)據(jù)連接，而GPRS的路由管理表現(xiàn)在以下三方面：1）移動(dòng)終端發(fā)送數(shù)據(jù)的路由建立；2）移動(dòng)終端接收數(shù)據(jù)的路由建立；3）移動(dòng)終端處于漫游時(shí)數(shù)據(jù)路由的建立。由于現(xiàn)在智能手機(jī)的普及，選擇GPRS作為信號(hào)傳輸工具也是十分方便的。智能插座接收到的信號(hào)由RS-232傳輸?shù)街骺刂破髦?。物?lián)網(wǎng)是以感知為核心的物物互聯(lián)，從技術(shù)角度又稱為傳感網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)將成為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)之后的信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮[10]。物聯(lián)網(wǎng)概念的提出被視為信息通信技術(shù)發(fā)展的重要里程碑[11]。

3.4 電能計(jì)量模塊

智能電表是高級(jí)量測體系重要的組成部分。使用戶獲取帶有時(shí)標(biāo)的的多種計(jì)量值，如電量、電流、電壓、功率等；它不僅可以進(jìn)行電能數(shù)據(jù)采集、計(jì)量和傳輸，還具有雙向通訊功能。據(jù)此用戶通過獲取電價(jià)和電費(fèi)信息，利用分布使電源參與削谷填峰，從而讓用戶從被動(dòng)的消費(fèi)者轉(zhuǎn)變?yōu)殡妰r(jià)的積極參與者。計(jì)量型智能插座，這種插座具有單相多功能電表的功能，可以計(jì)量插座上用電設(shè)備的電能值、電壓、電流、功率等用電信息[12]。電能計(jì)量功能由ADE7858來實(shí)現(xiàn)。ADE7858是一款高精度、三相電能測量IC，采用串行接口，并提供三路靈活的脈沖輸出。該器件內(nèi)置二階Σ-Δ型ADC、數(shù)字積分器、基準(zhǔn)電壓源電路以及所有必需的信號(hào)處理電路，可執(zhí)行總（基波和諧波）有功、無功和視在功率測量以及有效值計(jì)算。一個(gè)固定功能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)負(fù)責(zé)執(zhí)行這種信號(hào)處理。利用串行接口SPI，可以與ADE7858通信。電能測量時(shí)，先由電流互感器與電壓互感器分別測出通過用電器的電流與用電器所帶電壓，再由ADE7858計(jì)算出有功功率、用電量等。導(dǎo)致電壓偏差的原因主 要是無功功率，電網(wǎng)中無功功率的變化及電力系統(tǒng)運(yùn) 行方式的改變，使用電設(shè)備上的電壓偏離了其標(biāo)稱電 壓。當(dāng)出現(xiàn)電壓偏差時(shí)，將造成線損率和供電成本增加的危害，影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，降低使用壽命[13]。

3.5 定時(shí)模塊

當(dāng)用戶設(shè)定好時(shí)間后，GPS系統(tǒng)時(shí)間是由每顆衛(wèi)星上原子鐘的銫和銣原子頻標(biāo)保持的。這些星鐘一般來講精確到世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）的幾納秒以內(nèi)，UTC是由海軍觀象臺(tái)的“主鐘”保持的，每臺(tái)主鐘的穩(wěn)定性為若干個(gè)10-13秒。

3.6 電路保護(hù)

通過漏電電流互感線圈，實(shí)時(shí)監(jiān)測漏電電流的存在，一旦電器設(shè)備有漏電情況，漏電保護(hù)器將異常的電流或電壓信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換將異常信息傳給單片機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件蜂鳴器動(dòng)作。

保護(hù)用電流互感器和繼電裝置配合，在線路發(fā)生短路或過載等故障時(shí)，向繼電裝置提供信號(hào)切斷故障電路，以保證用電的安全性。

電流互感器鐵芯通過被測電流，電流在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生磁通，使二次線圈感應(yīng)出相應(yīng)的二次電流。

正常情況下，用電設(shè)備是平衡的負(fù)荷，一次電流的矢量和為零。二次線圈無電流輸出，脫扣器不動(dòng)作，漏電開關(guān)正常運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備發(fā)生漏電或人身觸電時(shí)，則故障電流使電源中性點(diǎn)偏移。由于對地出現(xiàn)漏電電流存在，流過互感器的矢量和不再為零，則其二次側(cè)有剩余電流流過，電磁脫扣器中有電流流過，當(dāng)電流達(dá)到給定值時(shí)，脫扣器動(dòng)作，漏電開關(guān)動(dòng)作，切斷故障電路，從而起到保護(hù)作用。

3.7 顯示模塊

LCD顯示屏用處廣泛且發(fā)展迅速，是與它本身所具有的優(yōu)點(diǎn)分不開的。優(yōu)點(diǎn)概括起來是：亮度高、工作電壓低、功耗小、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。所以本文選用LCD模塊顯示用電設(shè)備用電量情況以及實(shí)時(shí)顯示用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。通過主芯片的程序控制，使它與其他模塊聯(lián)系在一起，實(shí)時(shí)的顯示其他模塊的工作狀態(tài)，以及實(shí)時(shí)的用電量。在制作過程中，LCD顯示屏相比于其他的顯示模塊，相對簡單，利于生產(chǎn)。

4 軟件流程介紹

啟動(dòng)MQX系統(tǒng)，在啟動(dòng)系統(tǒng)之后，需要初始化定時(shí)器、中斷、啟動(dòng)顯示。在一切初始化完成之后，系統(tǒng)分為三個(gè)進(jìn)行工作，依照從左向右的順序進(jìn)行介紹。

在初始化定時(shí)器、中斷、啟動(dòng)顯示之后，在進(jìn)行計(jì)量之前需要初始化ADE7878芯片，此時(shí)檢測定時(shí)器是否溢出，如果溢出便可以讀取電壓、電流、電量、功率因數(shù)的數(shù)值。讀取數(shù)值之后便可以在液晶屏上顯示實(shí)時(shí)的信息、負(fù)荷狀態(tài)。在GPRS遠(yuǎn)程控制功能的實(shí)現(xiàn)中，首先需要初始化GPRS開串口中斷，當(dāng)接收到信號(hào)的時(shí)候做出規(guī)約解析，如果是需要信息反饋則從ADE7878芯片讀取的數(shù)值中進(jìn)行整合發(fā)送給用戶。另一方面便是判斷是否是對負(fù)荷的控制，如是則會(huì)將信號(hào)以以太網(wǎng)的方式傳輸信息給電力系統(tǒng)的后臺(tái)控制。最左邊的便是對以太網(wǎng)的啟動(dòng)與使用。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 通訊系統(tǒng)檢測

分不同的時(shí)間段發(fā)射數(shù)據(jù)包給通訊系統(tǒng)，檢測接受數(shù)據(jù)包的情況如下表格和折線圖：

時(shí)間 9 10 11 12 13 14 15 16 17 100 100 100 100 100 100 100 100 100發(fā)包數(shù)98 99 97 100 97 99 100 99 99收包數(shù)0.98 0.99 0.97 1 0.97 0.99 1 0.99 0.99接收率

5.2 電表性能準(zhǔn)確性檢測

6.結(jié)語

本文介紹了智能插座硬件原理和軟件控制流程。本插座是基于飛思科爾K60主控制芯片，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，充分利用了各微控制器的主要特點(diǎn)。采用ADE7858計(jì)量芯片，使用GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，使插座能夠達(dá)到準(zhǔn)確的反饋實(shí)時(shí)負(fù)載信息，并遠(yuǎn)程對負(fù)載的通斷進(jìn)行調(diào)控，從而達(dá)到安全用電的效果。本插座使用LCD顯示系統(tǒng)，可以直觀的得到實(shí)時(shí)信息。在負(fù)荷斷開的同時(shí)，本插座可以通過以太網(wǎng)，將負(fù)荷斷開情況反應(yīng)給電力系統(tǒng)后臺(tái)。

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