電能計(jì)量芯片EM773在智能家居電能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

權(quán)震華 羅 亮

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 四川綿陽 621010)

電能在當(dāng)今社會(huì)中扮演著舉足輕重的角色，我們的生活、學(xué)習(xí)、工作都已離不開電能。然而如今的電能消耗與浪費(fèi)日益嚴(yán)重，能源緊缺問題更加突出。智能化電能管理對(duì)電能的有效控制和節(jié)約起到了很大的積極作用，而對(duì)家庭生活用電情況進(jìn)行管理是與我們息息相關(guān)的［1］。本文主要研究一種智能家居電能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，它符合現(xiàn)實(shí)背景，在智能家居領(lǐng)域?qū)?huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

1 智能家居電能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)由PC監(jiān)控平臺(tái)、電能監(jiān)控主站與電能監(jiān)控從站3個(gè)部分組成。

(1)PC監(jiān)控平臺(tái)。PC監(jiān)控平臺(tái)負(fù)責(zé)接收電能數(shù)據(jù)以及顯示相關(guān)電能數(shù)據(jù)表格，也負(fù)責(zé)更改下位機(jī)的工作狀態(tài)，并對(duì)電能監(jiān)控從站的IAP在線升級(jí)。(2)電能監(jiān)控主站。電能監(jiān)控主站主要是由Cortex－M0內(nèi)核的LPC11C14以及無線傳輸芯片NRF24L01組成，實(shí)現(xiàn)通過DTL645－2007多功能電表通信協(xié)議［2］接收多個(gè)從站發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)。(3)電能監(jiān)控從站。電能監(jiān)控從站主要由包含Cortex－M0內(nèi)核的電能計(jì)量芯片EM773、無線傳輸芯片NRF24L01，E2PROM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片和液晶顯示模塊組成。電能從站能精確測(cè)量電能參數(shù)信息，并具有分時(shí)計(jì)量功能，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過DTL645－2007多功能電能表通信協(xié)議無線傳輸上傳到監(jiān)控主站。智能家居電能監(jiān)控系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram

2 電能采集終端設(shè)計(jì)

電能采集終端由EM773做為主控，EM773是一款基于ARM Cortex－M0內(nèi)核的低成本32位多功能電能計(jì)量IC，適用于8/16位智能儀表應(yīng)用。EM773使用非常方便，片內(nèi)內(nèi)置計(jì)量引擎的軟件驅(qū)動(dòng)程序，以便使應(yīng)用工程師無需關(guān)心具體的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需調(diào)用API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量程序設(shè)計(jì)。EM773內(nèi)帶32位ARM公司最新內(nèi)核Cortex－M0，執(zhí)行速度快，功耗低，廣泛應(yīng)用于智能家電，工業(yè)控制等行業(yè)。EM773對(duì)電流電壓采樣后，經(jīng)過一系列的公式變換，最后得出了采集的各種電壓電流信息。EM773能采樣出的信息包括:電壓、電流、有功功率、基波無功功率、視在功率、基波視在功率、功率因素、基波功率因素、非基波視在功率、非有功功率和電流總諧波失真［1］。

2.1 電能采集終端設(shè)計(jì)

EM773通過兩路電流測(cè)量通道I_HIGHGAIN和I_LOWGAIN來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的采樣，電壓測(cè)量則是通過VOLTAGE通道實(shí)現(xiàn)。

電壓采集電路如圖2所示。

圖2 電壓采集電路Fig.2 Voltage acquisition circuit

在這個(gè)電路中采用電壓互感器ETW205N對(duì)電壓進(jìn)行一個(gè)電壓隔離并且縮小電壓，再通過運(yùn)放調(diào)節(jié)到一個(gè)合適電壓輸入EM773進(jìn)行電壓采集。

ETW205N對(duì)電壓縮小倍數(shù)通過雙端接入電阻來換算，輸出電壓計(jì)算公式為

由于電壓采集需要對(duì)電壓的全波進(jìn)行采集，所以，必須在運(yùn)放的正向輸入端加上1.65 V的偏置電壓，運(yùn)放輸出電壓為

經(jīng)計(jì)算最后經(jīng)過運(yùn)放放大后輸入到EM773的電壓范圍為2.451～2.697 V之間，符合0～3.3 V電壓范圍［1］。

電流采集電路如圖3所示。電流互感器采用ETW026A對(duì)電流進(jìn)行調(diào)理，后端采用10 Ω電路轉(zhuǎn)換電流成電壓后進(jìn)行兩通道運(yùn)放轉(zhuǎn)換后輸入EM773進(jìn)行電流采集。

電流互感器采用ETW026A對(duì)電流進(jìn)行調(diào)理，輸出電流計(jì)算公式為

其中 I額定入=5 A，I額定出=2.5 mA。由此得知，電流互感器縮小電流倍數(shù)為2000倍。

當(dāng)輸入電流小于1 A時(shí)，采用高增益端進(jìn)行輸入，輸入電流經(jīng)互感器和運(yùn)放共同計(jì)算為:

圖3 電流采集電路Fig.3 Electric current acquisition circuit

經(jīng)公式計(jì)算出高增益端輸入電流范圍為:0.52～1.63 V，滿足高增益電流采集。

當(dāng)電流范圍在1～16 A時(shí)，高增益端電流已經(jīng)超過了3.3 V，所以在高增益端采用一個(gè)穩(wěn)壓三極管對(duì)高增益管腳進(jìn)行穩(wěn)壓到3.3 V，否則會(huì)對(duì)系統(tǒng)采集造成影響。當(dāng)電流范圍在1～16 A時(shí)，經(jīng)過電流互感器和低增益運(yùn)放共同計(jì)算為:

經(jīng)公式計(jì)算出低增益端輸入電流范圍為0.49～2.81 V，滿足高增益電流采集［1］。

電路設(shè)計(jì)時(shí)在反饋電阻兩端并接小電容起到低通濾波的作用，還能防止自激震蕩的產(chǎn)生。

2.2 電能采集終端軟件設(shè)計(jì)

(1)數(shù)據(jù)采集與處理。通過調(diào)用EM773提供的計(jì)量引擎驅(qū)動(dòng)庫，實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的采集，并且對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行峰谷值處理并且分類緩存。

(2)數(shù)據(jù)保存。由于數(shù)據(jù)種類多、量大，因此保存數(shù)據(jù)的時(shí)候需要對(duì)數(shù)據(jù)分類保存處理，因此，在外部存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)一個(gè)Excel表格存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存放處理。

(3)無線通信。電能終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過無線上傳到上位機(jī)進(jìn)行處理。無線通信協(xié)議采用DTL645－2007通信協(xié)議。通過無線通信實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)功能。

3 電能監(jiān)控主站

電能監(jiān)控主站主要負(fù)責(zé)電能監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)收集，將收集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線［3］傳送到服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，電能監(jiān)控主站之間通過CAN總線進(jìn)行組網(wǎng)。每個(gè)電能監(jiān)控主站都有一個(gè)獨(dú)立的ID號(hào)用于上位機(jī)查找主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。電能監(jiān)控主站和電能監(jiān)控終端之間通過無線進(jìn)行連接，一個(gè)電能監(jiān)控主站可以掛載256個(gè)電能監(jiān)控從站，并且穩(wěn)定通信。

4 系統(tǒng)測(cè)試

當(dāng)系統(tǒng)程序完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體測(cè)試，打開PC監(jiān)控平臺(tái)軟件，選中電能采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取分析，通過電能監(jiān)控終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制電信息柱狀圖。電能監(jiān)控柱狀圖如圖4所示。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行正常，能實(shí)現(xiàn)家庭用電情況的智能監(jiān)控。

圖4 電能監(jiān)控柱狀圖Fig.4 Electric energy monitoring histogram

5 結(jié)論

本文介紹了一種采用EM773專用電能采集芯片設(shè)計(jì)電能監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)方法［4］。通過電能采集終端和電能計(jì)量主站結(jié)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了用電信息的采集和負(fù)荷狀況的監(jiān)測(cè)，對(duì)加強(qiáng)用電系統(tǒng)管理、提高電網(wǎng)的可靠性和實(shí)現(xiàn)用電管理自動(dòng)化具有積極意義。

［1］忻龍彪，王東，龍?jiān)谠?智能監(jiān)控電能表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表裝置，2010，(5):16－18.

［2］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì).中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［M］.2007.10－35.

［3］饒運(yùn)濤.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理于應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.23－78.

［4］歐潔云，黃皎，陸曉春.嵌入式網(wǎng)絡(luò)化儀表監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào)，2005，19(4):36－39.

［5］LI Ran，WU Jun-feng，WANG Hai-ying.Dept of Automation［C］.Design Method of CAN BUS Network Communication Structure for Electric Vehicle.2010.