周禮達(dá), 張佳卿, 李勃

(1.上海軟中信息技術(shù)有限公司, 上海 200000 2.上海計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開發(fā)中心, 上海 200000 3.上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 上海 200000)

基于功率計(jì)量的智能插座設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周禮達(dá)1, 張佳卿2, 李勃3

(1.上海軟中信息技術(shù)有限公司, 上海 200000 2.上海計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開發(fā)中心, 上海 200000 3.上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 上海 200000)

隨著科技的發(fā)展，電器產(chǎn)品種類愈發(fā)豐富，電器的管理和安全成為了新挑戰(zhàn)。提出了一種新型智能插座，該插座通過(guò)對(duì)某一電器運(yùn)行功率進(jìn)行檢測(cè)，從而控制聯(lián)鎖開關(guān)，有效地節(jié)省其余電器待機(jī)狀態(tài)能耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明產(chǎn)品能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)功率計(jì)量、有效實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制，方便電器管理，減少電器待機(jī)時(shí)間、節(jié)約能耗。

功率計(jì)量； 智能插座； 聯(lián)鎖控制

0 引言

隨著科技的發(fā)展，電器產(chǎn)品種類變得越來(lái)越豐富，便捷了人們的辦公生活方式，同時(shí)也給管理和安全帶來(lái)了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)智能插座以縮減待機(jī)能耗[1]為研究方向，而新型智能插座主打手機(jī)控制或遠(yuǎn)程遙控[2-4]，改變了人們?nèi)粘ｋ娖魇褂昧?xí)慣?，F(xiàn)代辦公生產(chǎn)環(huán)境、家庭生活環(huán)境中諸如PC和測(cè)試儀器、電視機(jī)和機(jī)頂盒等共同使用的電器種類越來(lái)越多。本文設(shè)計(jì)了一種智能插座，通過(guò)計(jì)量插座內(nèi)主用電器的功率來(lái)判決其余設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)主用電器待機(jī)狀態(tài)下切斷插座內(nèi)共同使用的電器，或啟動(dòng)插座內(nèi)共同使用的電器，方便日常電器管理，在不改變傳統(tǒng)使用方式的情況下節(jié)省了電能。

1 智能插座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能插座整體結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 智能插座整體結(jié)構(gòu)

MCU選用STM32F103C8T6，它使用高性能的ARM CortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率72 MHz，內(nèi)置3個(gè)通用16位定時(shí)器，3個(gè)USART接口，完全支持實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能插座的管理及控制。電源模塊提供各個(gè)模塊單元的供電，實(shí)現(xiàn)從220 V到3.3/5 V的電壓轉(zhuǎn)換。功率計(jì)量模塊針對(duì)主孔位的電器負(fù)載進(jìn)行功率計(jì)量，判斷電器運(yùn)行/待機(jī)狀態(tài)，功率計(jì)量選用CSE7759，它是一款單相多功能計(jì)量芯片，支持電壓、電流、功率和電量測(cè)試，成本低廉，適合電能表、計(jì)量插座、數(shù)顯表等應(yīng)用?？刂乞?qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)鎖孔位的開關(guān)，為提高開關(guān)安全和開關(guān)壽命，宜選用晶閘管[5]BTA10-400控制并用光耦進(jìn)行電氣隔離。為了適應(yīng)人們傳統(tǒng)的電器使用習(xí)慣，智能插座采用靜默方式實(shí)現(xiàn)控制，無(wú)需遠(yuǎn)程遙控，因此只需選用藍(lán)牙模塊以實(shí)現(xiàn)門限判決等配置功能。

2 功率計(jì)量

2.1 功率計(jì)量電路

功率計(jì)量電路選用單相多功能電能計(jì)量芯片CSE7759，芯片采用SOP8封裝，具有體積小巧、測(cè)量精度高、外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適合于電能表、計(jì)量插座等應(yīng)用。其典型應(yīng)用電路,如圖2所示。

圖2 功率計(jì)量電路

在芯片電源端，并聯(lián)兩個(gè)小電容，濾除來(lái)自電網(wǎng)高頻及低頻噪聲。電流信號(hào)u1經(jīng)過(guò)錳銅電阻采樣后接入芯片，電壓信號(hào)u2通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)降壓后接入芯片。CSE7759內(nèi)置24 bit Sigma-Delta ADC模塊以及DSP模塊，可提供有功功率、有功能量、電流有效值、電壓有效值的計(jì)量，并以脈沖方式輸出。

2.2 功率計(jì)量與校準(zhǔn)

CSE7759的內(nèi)部DSP具有一定的增益，經(jīng)過(guò)頻率轉(zhuǎn)換模塊后，有功功率的輸出頻率理論值,如式(1)。

(1)

其中V1、V2為電流、電壓信號(hào)，fosc為內(nèi)置晶振，典型頻率3.579 MHz，VREF為內(nèi)置基準(zhǔn)源，典型電壓為2.43 V。

受限于外圍采樣器件，如圖2中的錳銅電阻、采樣電阻的誤差，實(shí)際測(cè)量得到的頻率與理論頻率(公式1計(jì)算所得)誤差較大，所以需要對(duì)頻率進(jìn)行校準(zhǔn)。由公式(1)可知功率計(jì)量時(shí)功率與頻率成線性正比關(guān)系，因此功率計(jì)量時(shí),如式(2)。

(2)

其中Pcal為校準(zhǔn)功率值，Tcal為校準(zhǔn)功率值實(shí)測(cè)到的周期值，T為待計(jì)量有功功率值實(shí)測(cè)的周期值。

2.3 脈沖頻率測(cè)量

功率計(jì)量通過(guò)測(cè)量CSE7759的CF引腳輸出頻率來(lái)計(jì)算功率，MCU通過(guò)脈沖周期測(cè)量來(lái)獲取頻率信息。功率計(jì)量所測(cè)頻率根據(jù)功率大小成反比例動(dòng)態(tài)變化，具體輸出在0-2 kHz之間，處理器在測(cè)量高頻脈沖周期時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差?？紤]測(cè)量精度和測(cè)量效率的關(guān)系，推薦采用分段測(cè)量的方法[6-7]，當(dāng)檢測(cè)為高頻脈沖時(shí)定時(shí)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)；當(dāng)檢測(cè)為低頻脈沖時(shí)直接測(cè)量單個(gè)脈沖周期，處理器脈沖頻率測(cè)量流程圖如圖3所示。

圖3 脈沖頻率測(cè)量流程

3 校準(zhǔn)與測(cè)試

3.1 計(jì)量芯片校準(zhǔn)

智能插座在正式電量參數(shù)測(cè)量前需要對(duì)計(jì)量芯片CSE7759進(jìn)行校準(zhǔn)，以提高電量采集的精密度[8]。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)交流電源、參考負(fù)載對(duì)智能插座進(jìn)行校準(zhǔn)，功率校準(zhǔn)計(jì)算方法參考式(2)。參考負(fù)載分別選用額定100 W、1 000 W的純阻性負(fù)載。測(cè)試結(jié)果,如表1、表2所示。

表1 使用1 000 W負(fù)載校正后的功率

表2 使用100 W負(fù)載校正后的功率

為獲取小功率時(shí)的計(jì)量準(zhǔn)確度，建議選用小功率的負(fù)載進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.2 智能插座測(cè)試

智能插座設(shè)計(jì)目標(biāo)通過(guò)功率計(jì)量切斷插座內(nèi)其余插孔電源。測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法：將測(cè)試設(shè)備接入主孔位進(jìn)行功率計(jì)量，并接入功率計(jì)分別測(cè)試運(yùn)行功率、待機(jī)功率10次，記錄并求取平均值。選用穩(wěn)壓電源，電烙鐵作為負(fù)載接入聯(lián)鎖孔位，通過(guò)手機(jī)根據(jù)不同測(cè)試設(shè)備的功率平均值設(shè)置判決門限，延時(shí)時(shí)間10秒，具體設(shè)置,如表3所示。

表3 智能插座測(cè)試設(shè)置值

測(cè)試結(jié)果：智能插座設(shè)置后，根據(jù)測(cè)試設(shè)備待機(jī)或運(yùn)行狀態(tài)，插座能夠有效切斷或恢復(fù)對(duì)聯(lián)鎖孔位的負(fù)載供電。

4 總結(jié)

基于功率計(jì)量的智能插座，可以有效提高傳統(tǒng)插座的智能化水平，通過(guò)功率計(jì)量有效切斷相關(guān)電器電源，解決了生產(chǎn)辦公、日常生活中電器管理的不便。智能插座可以有效應(yīng)用于智能家居、日常辦公、實(shí)驗(yàn)開發(fā)等環(huán)境，提高管理效能、節(jié)省電量。

[1] 韓強(qiáng), 陳金周, 馮小軍,等. 智能節(jié)能插座的研制[J]. 家電科技, 2014(8):74-76.

[2] 孫杰, 胡乃軍, 郭志卓. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能插座設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)科技信息, 2015(5):96-98.

[3] 高雄. 智能家居系統(tǒng)中智能插座的設(shè)計(jì)[J]. 信息技術(shù), 2016(10):168-171.

[4] Cho W T, Ma Y W, Huang Y M. A Smart Socket-Based Multiple Home Appliance Recognition Approach over IoT Architecture[J]. Journal of Internet Technology, 2015, 16(7):1227-1238.

[5] 孫茂超. 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智能插座的設(shè)計(jì)[J]. 電子制作, 2015(6):53.

[6] 陳園園, 袁煥麗. 基于單片機(jī)的脈沖頻率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用, 2016, 6(4):83-84.

[7] 殷勤奮, 湯宇. 淺析幾種基于單片機(jī)的數(shù)字頻率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J]. 教育教學(xué)論壇, 2011(14):229-230.

[8] 李偉, 李一真, 王志梁,等. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能插座設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 山東電力技術(shù), 2015, 42(6):55-58.

Design and Implementation of Smart Socket Based on Power Measurement

Zhou Lida1,2,3, Zhang Jiaqing2,3, Li Bo3

(1. Shanghai Softline Information Technology Co., Ltd., Shanghai 200000, China;2. Shanghai Development Center of Computer Software Technology, Shanghai 200000, China;3. Shanghai Industrial Technology Insitute, Shanghai 200000, China)

With the development of science and technology, there are more and more electrical appliances. It has become a new challenge to manage and secure electrical appliances. This paper designs a new type of smart socket, which can control the interlock switch by detecting the power of an electrical appliance and save the energy consumption when the electrical appliance is running on the standby state. Experimental results show that the product can measure the power accurately, realize the interlock control effectively, manage electrical appliances conveniently, reduce the standby time of electrical appliances, save power consumption.

Power measurement; Smart socket; Interlock control

周禮達(dá)(1985-),男,寧波,工程師,本科,研究方向:嵌入式。 張佳卿(1986-),男,南昌,工程師,本科,研究方向:嵌入式。 李勃(1983-),男,太原,本科,研究方向:計(jì)算機(jī)。

1007-757X(2017)06-0071-02

TP311

A

2016.12.30)