張保增，劉靜然，張敬偉

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著能源問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻，人們提出了智能用電，通過(guò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的用電方式緩解能源問(wèn)題。文獻(xiàn)[1]對(duì)居民的用電行為進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[2]研究了家庭能效評(píng)估方法，文獻(xiàn)[3]提出了一種基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)。但是所有的評(píng)估和控制都必須通過(guò)對(duì)電器的用電計(jì)量和用電控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)于目前的普通電器，最可行的方法莫過(guò)于通過(guò)智能插座來(lái)實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)[4]提出了一種基于ZigBee通信的智能插座，可以實(shí)現(xiàn)外置遠(yuǎn)程控制，但智能插座并沒(méi)有計(jì)量功能，同時(shí)只能外置在室內(nèi)插座上，使用起來(lái)有局限性。文獻(xiàn)[5]介紹了基于電力線載波的智能插座，可以用于室內(nèi)電能的計(jì)量，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)電能的控制。但沒(méi)有注明插座的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

基于標(biāo)準(zhǔn)的86插座的空間尺寸有限[6-7]，其中又要具有通信、控制諸多功能，本文提出了一種單芯片計(jì)量方案，通過(guò)單芯片V9811實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制、電能的計(jì)量、顯示，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)智能插座的計(jì)量和控制功能。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了便于在家庭中使用，本智能插座采用墻壁嵌入式設(shè)計(jì)，符合國(guó)家關(guān)于插座的標(biāo)準(zhǔn)要求，可以方便裝進(jìn)普通的墻壁86盒中，在家庭電器裝修時(shí)進(jìn)行配置。插孔采用標(biāo)準(zhǔn)2孔和3孔通用結(jié)構(gòu)，與目前使用方式相似，方便使用。智能插座的外形如圖1所示。

圖1 智能插座外觀

1.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)采用基于單芯片計(jì)量V9811的計(jì)量方案。V9811芯片是萬(wàn)高公司開發(fā)的一款高性能的單相電能計(jì)量SoC芯片，集成模擬前端、電能計(jì)量模塊、增強(qiáng)型8052內(nèi)核、RTC、WDT、Flash、SRAM和LCD驅(qū)動(dòng)等功能模塊，可為單相多功能電能表提供單芯片解決方案。

V9811芯片電壓輸入范圍為2.5 V～5.5 V，工作頻率可編程，運(yùn)算能力最高可達(dá)26 MHz/6.5 MIPS；具有128 KB Flash存儲(chǔ)器，4 KB外部SRAM存儲(chǔ)器；4路全速UART，其中一路支持紅外通信；4×24/6×22 段LCD驅(qū)動(dòng)電路，支持多種掃描頻率；LCD驅(qū)動(dòng)電壓在2.7 V～3.3 V范圍內(nèi)可調(diào)。

硬件的框架圖如圖2所示。

圖2 智能插座的硬件框架

其中，電源模塊給V9811芯片和繼電器模塊供應(yīng)電源，對(duì)電壓和電流分別采樣，EEPROM存儲(chǔ)電量信息，LCD顯示用電信息，ZigBee作為無(wú)線信道與管理中心通信，本地可以通過(guò)紅外端口與智能插座通信。

1.2.1電源和控制

一般來(lái)說(shuō)，電源轉(zhuǎn)換共有三種方案：變壓器轉(zhuǎn)換后整流方案、阻容分壓方案和開關(guān)電源轉(zhuǎn)換方案。其中變壓器方案需要的空間太大，不適合智能插座；阻容分壓方案具有無(wú)功較大的缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于高次諧波敏感，所以本方案也不采用。由于智能插座一直在用電中，為了節(jié)約智能插座的功耗，這里采用了開關(guān)電源作為智能插座的電源。開關(guān)電源模塊把220 V交流電變換為12 V直流電和5 V直流電。12 V直流電供繼電器用電，5 V直流電供芯片電源。

智能插座通過(guò)磁保持繼電器對(duì)插座負(fù)載通斷進(jìn)行控制，使用磁保持繼電器可以保證在正常工作時(shí)間，繼電器回路不消耗電能。繼電器由電源模塊的12 V電源供應(yīng)，使用電容儲(chǔ)能保證繼電器能夠正常切換。

經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，插座的靜態(tài)功耗約為0.5 W，遠(yuǎn)低于普通單相表的功耗。

1.2.2顯示

智能插座的顯示采用LCD液晶顯示，可以顯示電壓、電流、功率和當(dāng)前總電能。LCD具有低功耗的特點(diǎn)。顯示驅(qū)動(dòng)直接由V9811提供。V9811 集成了一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)電路，可產(chǎn)生SEG和COM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LCD液晶屏內(nèi)容顯示。該電路由32.768 kHz的OSC時(shí)鐘產(chǎn)生LCD掃描時(shí)序；支持最多4COM×24SEG/6COM× 22SEG LCD,可以滿足基本的電能顯示要求。

1.2.3電壓和電流采樣

使用電阻分壓電路對(duì)電壓進(jìn)行采樣，采樣采用雙端完全差動(dòng)輸入方式。電壓采樣電路如圖3所示。

圖3 電壓采樣電路

圖4中R12～R17為分壓電阻，電容C3和C8對(duì)電壓進(jìn)行濾波。通過(guò)分壓電路把220 V電壓變換為芯片可以處理的低電壓。

電流采用錳銅分流片對(duì)電流采樣。因?yàn)闇囟葘?duì)錳銅的阻值影響非常小,所以用錳銅分流器可以很好地采樣電流回路的信號(hào)。電流采樣電路如圖4所示。

圖4 電流采樣電路

圖4中電阻R3、R4和電容C1、C2構(gòu)成阻容濾波電路，濾除電路中的高頻成分。

1.2.4電能計(jì)量

電能計(jì)量通過(guò)芯片V9811中的電能計(jì)量模塊進(jìn)行。V9811內(nèi)置一個(gè)電能計(jì)量模塊，可用于計(jì)量電壓/電流有效值、有功/無(wú)功電能和視在功率等，具有4路獨(dú)立的過(guò)采樣Σ/Δ ADC：1路電壓、2路電流和1路多功能測(cè)量通道。

電流/電壓有效值計(jì)算的信號(hào)流如圖4所示。來(lái)自高通濾波器輸出的電流/電壓信號(hào)首先自相關(guān)相乘，其乘積含有2次諧波，經(jīng)過(guò)低通濾波器后可濾除諧波和噪聲引起的紋波，得到電流/電壓的平方，然后再做開平方運(yùn)算，得到32 位有效值數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)比差校正后，即得到電壓/電流值。有功電能的計(jì)量與此類似，不同的是前端的乘法器輸入為電壓和電流。

1.2.5通信

相比于普通的智能單相表，本智能插座僅具有遠(yuǎn)程通信和紅外通信的功能。遠(yuǎn)程通信采用ZigBee無(wú)線通信，ZigBee模塊與V9811間通過(guò)UART口通信。ZigBee是一種無(wú)線低功耗、低速率的通信方式，支持自動(dòng)路由功能。雖然單個(gè)ZigBee通信的距離有限，但通過(guò)家庭內(nèi)部的諸多插座和開關(guān)作為路由節(jié)點(diǎn)，可以可靠地實(shí)現(xiàn)管理中心與智能插座的通信。適合電量抄讀、控制等低速率的通信。

由于空間有限，ZigBee天線采用貼片棒狀天線，增強(qiáng)了無(wú)線通信的能力。雖然ZigBee的頻段與人們常用的藍(lán)牙、WiFi處于同一頻段，但由于ZigBee具有自動(dòng)跳頻功能，可以根據(jù)環(huán)境改變自己的通信頻率，同時(shí)當(dāng)ZigBee與WiFi的頻率之間距離越遠(yuǎn)，則造成的干擾越小[8]，因此ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以與家庭用的WiFi共存。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，所有智能插座和智能開關(guān)都可以作為路由節(jié)點(diǎn)[9]，組成一個(gè)健壯的通信網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee組網(wǎng)過(guò)程中，通過(guò)紅外設(shè)備讀取智能插座的ZigBee的MAC地址，然后把MAC加入進(jìn)協(xié)調(diào)器中，由協(xié)調(diào)器查找路由器的ZigBee模塊，組進(jìn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。組網(wǎng)成功后，可以通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與智能插座的通信。

由于嵌入式智能插座內(nèi)部空間有限，本智能插座沒(méi)有實(shí)現(xiàn)485接口，而是實(shí)現(xiàn)了調(diào)制型紅外接口。與不采用調(diào)制的紅外通信相比，使用調(diào)制型紅外可以得到較遠(yuǎn)的通信距離和較好的通信質(zhì)量[9-10]。紅外光的波長(zhǎng)為900 nm～1 000 nm，載波頻率為38 kHz±1 kHz， 波特率選取2 400 b/s。使用調(diào)制型紅外接口作為組網(wǎng)和校表的物理通道。通過(guò)紅外通信接口，可以方便實(shí)現(xiàn)本地通信，對(duì)智能插座進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和軟件校表。通過(guò)本地通信，可以把智能插座與戶內(nèi)終端組進(jìn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)代碼采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫。當(dāng)累計(jì)夠0.01 kWh時(shí)，累計(jì)存儲(chǔ)電量。當(dāng)發(fā)現(xiàn)掉電事件時(shí)，把電量存儲(chǔ)進(jìn)EEPROM中，保證電量掉電不丟失。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 智能插座軟件流程圖

智能插座實(shí)現(xiàn)對(duì)電能量的計(jì)量，當(dāng)收到管理中心的控制或者查詢命令時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備用電的控制和用電情況查詢。當(dāng)檢測(cè)到用電異常時(shí)智能插座會(huì)上報(bào)用電異常情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果

在額定電壓220 V、不同電流下對(duì)兩塊智能插座分別進(jìn)行4次功率誤差測(cè)試，得到結(jié)果如表1所示。

表1 插座1誤差測(cè)量結(jié)果

表2 插座2誤差測(cè)量結(jié)果

從表中可以看出，兩塊插座測(cè)得最大誤差為0.222， 遠(yuǎn)低于國(guó)家對(duì)2級(jí)電能表的誤差要求，符合對(duì)家用電器的電能計(jì)量要求。

3 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了一種基于V9811的單芯片智能插座方案，可以通過(guò)ZigBee無(wú)線通信進(jìn)行控制和檢測(cè)用電量，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭用電的精細(xì)計(jì)量。由于采用了模塊化設(shè)計(jì)，也可以方便地更改為其他信道。也可以作為計(jì)量模塊嵌入進(jìn)智能家電中，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家電的控制和監(jiān)控。

目前使用ZigBee技術(shù)以及紅外通信技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了功能，但由于插座空間有限以及需要降低成本，因此需要進(jìn)行改進(jìn)，下一步盡量使用一個(gè)通道完成校表設(shè)置等工作。同時(shí)插座厚度比普通插座要厚，需要通過(guò)簡(jiǎn)化縮小厚度。