孫翠華 ，葛年明 ，李 圳

（1.三江學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210012；2.三江學(xué)院 電工電子實(shí)驗(yàn)中心，江蘇 南京 210012）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的多方面應(yīng)用，智能家居得到了快速的發(fā)展，并逐步進(jìn)入人們的生活，改變著人們的生活習(xí)慣。隨著低碳經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保等可持續(xù)發(fā)展觀念的倡導(dǎo)，更多的人開始關(guān)注節(jié)能、重視家用電器的耗電量，計(jì)量插座便因此而生。

目前市場(chǎng)上已經(jīng)有許多計(jì)量類插座，據(jù)調(diào)查，公認(rèn)的幾大品牌有力創(chuàng)、北電、泰克曼和優(yōu)利德等，而市場(chǎng)上這些插座功能都大同小異。但當(dāng)前的這些智能插座設(shè)計(jì)以提供保護(hù)、監(jiān)測(cè)或控制等單一功能為主，很難實(shí)現(xiàn)智能化和遠(yuǎn)程控制，不能滿足智能家居系統(tǒng)的要求。

針對(duì)此，本文設(shè)計(jì)的計(jì)量插座不僅具有市場(chǎng)上一般智能插座的功能，還具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)電量使用的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，符合智能家居的發(fā)展方向與要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能計(jì)量插座主要由MCU控制單元、計(jì)量模塊、WiFi模塊、繼電器控制[1]、LCD顯示電路等幾個(gè)部分組成，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 電路基本工作原理及主要功能介紹

系統(tǒng)經(jīng)計(jì)量模塊采集電量、電壓、功率、電流等相關(guān)電量數(shù)據(jù)，并送MCU處理，MCU將處理后的數(shù)據(jù)通過WiFi模塊，發(fā)送給手機(jī)用戶，手機(jī)用戶可以實(shí)時(shí)查看電量、電壓、功率、電流等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭用電的監(jiān)控[2]。另一方面，用戶可以通過手機(jī)對(duì)計(jì)量插座實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[3]，通過手機(jī)向WiFi模塊發(fā)送指令，WiFi模塊將控制指令發(fā)送給MCU主控芯片，MCU進(jìn)行處理后，對(duì)計(jì)量芯片進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制通斷以及定時(shí)[4]等功能。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

本系統(tǒng)采用電容器降壓的方式，直接將220 V市電通過CBB電容及穩(wěn)壓二極管轉(zhuǎn)化為5 V直流電，給繼電器及計(jì)量芯片供電。再利用HT7533穩(wěn)壓管將5 V電壓降為3.3 V給主控芯片及其他模塊供電。具體電路如圖2所示。

圖2 電源轉(zhuǎn)換模塊電路圖

2.2 MCU微控制單元電路

MCU微處理器采用 STM8L152芯片，STM8L152是 8位超低功耗單片機(jī)，擁有5個(gè)低功耗模式，先進(jìn)的STM8核心以及 32 kHz和1～16 MHz晶體振蕩器，另外它有 4個(gè)通道，分別是 ADC、DAC、SPIS、W2C。 還有 USART接口，有高達(dá)64 KB的快閃記憶體和高達(dá)2 KB的數(shù)據(jù)EEPROM、ECC和RWW以及靈活的讀/寫保護(hù)模式。

2.3 計(jì)量模塊電路

計(jì)量模塊中用到的計(jì)量芯片為ATT7039AU，該模塊提供三項(xiàng)電能計(jì)量所需要的有功功率、無功功率與無功電能、電壓有效值、電流有效值及頻率參數(shù)等，支持軟件校表方式。通過SFR寄存器和中斷的方式，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)處理部分進(jìn)行校表參數(shù)配置和計(jì)量參數(shù)讀?。挥?jì)量的結(jié)果通過FR/QF引腳輸出，也即校表脈沖輸出，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行誤差對(duì)比。計(jì)量模塊具體電路如圖3所示。

2.4 繼電器控制電路

系統(tǒng)采用繼電器來通斷電控制用電器[5]。繼電器是一種常用的控制設(shè)備。繼電器設(shè)計(jì)如圖4所示。

在正常情況下，ATT3079處理器的I/O口為低電平，NPN三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)繼電器線圈內(nèi)并無電流，所以繼電器L-IN與L-OUT之間處于常閉狀態(tài)，用電器處于正常工作狀態(tài)；當(dāng)需要斷開用電器時(shí)，I/O口置高電平，NPN三極管導(dǎo)通，此時(shí)繼電器線圈內(nèi)有電流流過，使繼電器L-IN與L-OUT之間處于常開狀態(tài)，切斷用電器供電。

圖3 計(jì)量模塊電路圖

圖4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C語言編寫，程序編寫使用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)方法，使程序更加可靠，方便開發(fā)人員的調(diào)試和維護(hù)。程序功能模塊包括程序初始化模塊、計(jì)量芯片主控模塊、計(jì)量參數(shù)校正、LCD顯示模塊、按鍵處理模塊、計(jì)量參數(shù)讀取處理模塊、定時(shí)模塊和繼電器控制模塊。采用模塊化編程使得程序更加簡(jiǎn)潔，將每個(gè)模塊都放在一個(gè).C文件里面，只需要在主函數(shù)中調(diào)用就可以使用此模塊的功能。系統(tǒng)主程序如圖5所示。

系統(tǒng)程序中還用到定時(shí)器中斷服務(wù)程序，每100 ms采集、處理一次計(jì)量芯片所得到的數(shù)據(jù)。其余時(shí)間用在按鍵掃描、繼電器控制和收發(fā)ZigBee模塊數(shù)據(jù)上面。這樣就能夠給每個(gè)模塊都分配一定的時(shí)間，不會(huì)出現(xiàn)互相干擾的現(xiàn)象。

圖5 主程序流程圖

同時(shí)利用終端服務(wù)器監(jiān)控計(jì)量插座客戶端和Andriod手機(jī)客戶端，當(dāng)計(jì)量插座要通過WiFi發(fā)送數(shù)據(jù)給Andriod手機(jī)時(shí)，服務(wù)器接收到信號(hào)，并建立WiFi連接處理請(qǐng)求，回應(yīng)數(shù)據(jù)完成后結(jié)束連接繼續(xù)監(jiān)聽；當(dāng)Andriod手機(jī)客戶端向計(jì)量插座發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，同樣先建立連接后處理請(qǐng)求，結(jié)束后繼續(xù)監(jiān)聽。具體通信程序設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 Andriod手機(jī)與插座通信流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

4.1 計(jì)量芯片有效值寄存器校正

電壓通道推薦輸入為200 mV 有效值。首先，對(duì)EMU特殊功能寄存器進(jìn)行配置（如：SUPD內(nèi)部模塊使能控制寄存器等）。并且對(duì)ADC控制寄存器進(jìn)行配置，對(duì)電壓ADC獨(dú)立配置放大信號(hào)1倍，電流ADC獨(dú)立配置放大信號(hào)16倍。寄存器配置完后接上電源，電參數(shù)的數(shù)據(jù)都將存入計(jì)量參數(shù)寄存器中，但是直接讀出來的數(shù)據(jù)是不對(duì)的。需要對(duì)校表參數(shù)寄存器進(jìn)行配置，對(duì)計(jì)量參數(shù)寄存器進(jìn)行校正。

4.2 電能參數(shù)的折算

電能計(jì)量模塊采用定時(shí)讀取電能參數(shù)的方式，定時(shí)更新電能參數(shù)，并且監(jiān)控計(jì)量芯片工作是否正常，確保計(jì)量參數(shù)的準(zhǔn)確。有效值寄存器校正后需要進(jìn)行折算才能得到正確的電能值。

4.3 實(shí)際測(cè)試與誤差分析

通過實(shí)際測(cè)試的方法檢測(cè)樣表的準(zhǔn)確度，需要給插座一個(gè)穩(wěn)定的源（如：電壓源、電流源），以下為主要參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

（1）電壓測(cè)試數(shù)據(jù)

電壓測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電壓測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7為電壓數(shù)據(jù)線性擬合圖。從圖中可以看出電壓的誤差是隨著電壓的增大而減小的，通過Excel線性擬合處理出的線性公式，直接加到程序中進(jìn)行誤差更正。

圖7 電壓數(shù)據(jù)線性擬合圖

（2）電流測(cè)試數(shù)據(jù)

電流測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電流測(cè)試數(shù)據(jù)

圖8為電流數(shù)據(jù)線性擬合圖。從圖中可以看出計(jì)量插座的電流值偏小于電流源的穩(wěn)定值，故用Excel進(jìn)行線性擬合，將得出的公式加入到程序當(dāng)中進(jìn)行處理就可以得出較為準(zhǔn)確的值。

圖8 電流數(shù)據(jù)線性擬合圖

5 結(jié)束語

本文將電量計(jì)量、Android應(yīng)用、WiFi無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)應(yīng)用到智能計(jì)量插座設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)集電力測(cè)量、電量管理和遠(yuǎn)程控制于一體的智能插座。測(cè)試結(jié)果證明，所有功能基本能夠?qū)崿F(xiàn)，測(cè)量精準(zhǔn)，可靠性高，功耗低。

[1]周彬.一種基于單片機(jī)系統(tǒng)控制的多功能插座[J].電子世界，2011（11）：23-24.

[2]姚文軒，滕召勝.多功能智能插座設(shè)計(jì)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010（6）：28-30.

[3]溫鐵鈍，孫鍵國(guó)，張?zhí)旌?無線遙控智能插座的設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2003，22（10）：53-55.

[4]徐偉，姜元建，王斌.智能插座在智能家居系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].中國(guó)儀器儀表，2010（10）：45-47.

[5]馬紅麟.新型遙控插座的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)電工程，2003（5）：51-52.