一種微功耗的多功能安全智能插座

南京工程學院 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

南京工程學院 楊子躍 王志杰 陳 偉 黃啟明

隨著智能電網的快速發展，智能家居的發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，可以實現遠程控制，定時開關，電量統計，LCD實時顯示電器運行的狀態等功能。用戶可以通過定時開關、手機短信等方法控制插座的通斷。在安全方面，它具有過流保護、漏電檢測、短路保護等功能，多重保護也可以最大限度的確保人身安全。文中對插座的硬件設計進行了分析，主要包含主控制芯片、電源模塊、信號采集和處理模塊、電能計量模塊、定時模塊、電路保護、顯示模塊等模塊的設計。同時給出了軟件設計流程。實驗結果表明，該智能插座具有很強的實用性以及可靠的安全保障，隨著物聯網技術的不斷發展，該產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。美國聯合科技公司(United Techno1ogies Building System)將建筑設備信息化、整合化概念應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]。目前市場上已經出現了多種不同功能的智能插座，包括漏電保護型、定時型、主路控制型、遠程控制型、計量型等多種類型[2]。歐洲智能系統集成技術組織（EPoSS）認為物聯網將在未來生活的多個方面包括節能應用上發揮巨大作用[3]。智能插座（Smart Socket），是在物聯網概念下，和智能家居的概念伴隨發展的產品。它可以遙控插座通斷電流，設定插座的定時開關。用戶可以根據自身情況來控制各用電設備的開關，這為居民用電提供了極大的方便，同時也減小了用電的安全隱患。智能電表是微控制器技術、專用集成電路技術、工業控制網絡技術和軟件等多種技術共同發展的結果。其應用領域十分廣闊，涉及電力系統，工業生產控制、智能小區、網絡化家電等各行各業，具有良好的發展前景[4]。智能插座內部均集成了微處理器芯片，可進行智能處理，但目前的智能插座設計以提供單一的保護、監測、或控制為主，產品功能較為單一，很難實現信息化和遠程控制，還無法達到智能家居系統的應用要求[5]。而本文所開發的是一種以微功耗單片機K60FN1MO為控制核心、具有遠程控制，定時開關，電量統計，LCD實時顯示電器運行的狀態功能的智能插座。該插座能夠接收遠程的遙控信息，人們可以在任何地方通過手機消息的方式控制插座的開斷，從而控制家中的電器的工作。插座可以定時開關，以滿足家中大功率電器設備盡可能在用電低谷的夜晚工作。英國牛津大學環境學院在2006年的一份報告中闡述了實時監控各個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了解家用電器的詳細耗電信息，就會使自己每月的電費開支下降5%～15%，如果一個一般家庭每月節省這么多的開支，全美國會減少相當于800萬輛行駛中的汽車的碳排放量[7]。另外，智能插座能夠對用電設備智能檢測，能夠實現諧波測量，過電壓，電流保護，浪涌保護，輸出功率可調，電量計算等功能，并可以在顯示器中實時顯示電器運行時的電壓電流等情況。

2 技術概述

本方案以單片機為核心，通過對其進行軟件編程，實現該單片機對其外圍電路的適時控制，并提供給外圍電路各種所需的信號,大大簡化了外圍電路的設計難度，同時更重要的是該種設計方案大大節省了設計成本，并且由于是采用軟件編程技術，所以其移植性能好，在設計電路時可以將其他更多的功能設計進去，而我們在設計電路板時就可以根據自己的設計目的焊接元件[8]。智能插座結構圖見圖1。插座主控制器選用飛思卡爾K60微功耗單片機，智能插座的硬件系統由信號采集和處理模塊、單片機系統模塊、電源模塊、電能計量模塊、定時模塊、保護模塊、LCD顯示模塊等組成。當用電器接入插座后，電能計量模塊內的計量芯片ADE7858可以計算出用電量。當用戶希望能夠遠程控制接在智能插座上的用電器的開或斷時，便可以使用手機GPRS流量發送信息，信號接收工作由插座上的GSM模塊完成。保護模塊擁有雙重保護功能，當負載過大、發生漏電以及觸電事故時可以及時切斷電源。各模塊測得的電壓、電流、有功功率、用電量等數據都會顯示出來，方便用戶了解電器工作情況。電力電子技術是計算技術在電力系統中的具體實現，隨著電力系統計算機化和信息化的水平不斷提高，電力電子技術在電力系統中的作用也越發明顯。簡單的說，電力電子技術就是通過計算機技術將強電和弱電進行有效的組合，它是計算機應用技術、電子技術、電路技術還有電力控制技術為一體的服務性的技術[9]。

圖1 智能插座結構圖

圖2 軟件流程圖

3.插座硬件設計

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內核，其性能可達到1.25Dhrystone MIPS/MHz。該系列提供高達180MHz的性能和IEEE 1588以太網MAC，用于工業自動化環境中的精確的、實時的時間控制，具有豐富的電路、通信、定時器和控制外圍電路。

3.1.1 通訊功能

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

（2）I2C：允許許多設備之間的通信。

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

3.1.2 計量功能

（1）Flash存儲控制器：通過多種外設主機和內核，管理程序進行RAM。

（2）ADC和PGA：內部集成可編程放大增益濾波器的16位高精度ADC。

結合計量模塊的ADE7878芯片，便可以進行電壓、電流、電量的數值的計量。

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。當線路由于過載或漏電而斷開時，則由電池供電。該模塊主要為主控制器、信號采集和處理模塊提供電源。

3.3 信號采集和處理模塊

信號的采集與處理起著遠程控制的作用。用戶可以通過手機的GPRS流量來實現遠程控制。GPRS網絡是基于現有的GSM網絡來實現的。GPRS工作時，通過路由管理來進行尋址和建立數據連接，而GPRS的路由管理表現在以下三方面：1）移動終端發送數據的路由建立；2）移動終端接收數據的路由建立；3）移動終端處于漫游時數據路由的建立。由于現在智能手機的普及，選擇GPRS作為信號傳輸工具也是十分方便的。智能插座接收到的信號由RS-232傳輸到主控制器中。物聯網是以感知為核心的物物互聯，從技術角度又稱為傳感網。物聯網將成為繼計算機、互聯網和通信網絡之后的信息產業第三次浪潮[10]。物聯網概念的提出被視為信息通信技術發展的重要里程碑[11]。

3.4 電能計量模塊

智能電表是高級量測體系重要的組成部分。使用戶獲取帶有時標的的多種計量值，如電量、電流、電壓、功率等；它不僅可以進行電能數據采集、計量和傳輸，還具有雙向通訊功能。據此用戶通過獲取電價和電費信息，利用分布使電源參與削谷填峰，從而讓用戶從被動的消費者轉變為電價的積極參與者。計量型智能插座，這種插座具有單相多功能電表的功能，可以計量插座上用電設備的電能值、電壓、電流、功率等用電信息[12]。電能計量功能由ADE7858來實現。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。該器件內置二階Σ-Δ型ADC、數字積分器、基準電壓源電路以及所有必需的信號處理電路，可執行總（基波和諧波）有功、無功和視在功率測量以及有效值計算。一個固定功能數字信號處理器(DSP)負責執行這種信號處理。利用串行接口SPI，可以與ADE7858通信。電能測量時，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計算出有功功率、用電量等。導致電壓偏差的原因主 要是無功功率，電網中無功功率的變化及電力系統運 行方式的改變，使用電設備上的電壓偏離了其標稱電 壓。當出現電壓偏差時，將造成線損率和供電成本增加的危害，影響設備正常運轉，降低使用壽命[13]。

3.5 定時模塊

當用戶設定好時間后，GPS系統時間是由每顆衛星上原子鐘的銫和銣原子頻標保持的。這些星鐘一般來講精確到世界協調時（UTC）的幾納秒以內，UTC是由海軍觀象臺的“主鐘”保持的，每臺主鐘的穩定性為若干個10-13秒。

3.6 電路保護

通過漏電電流互感線圈，實時監測漏電電流的存在，一旦電器設備有漏電情況，漏電保護器將異常的電流或電壓信號經過AD轉換將異常信息傳給單片機，從而驅動執行元件蜂鳴器動作。

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

電流互感器鐵芯通過被測電流，電流在鐵芯內產生磁通，使二次線圈感應出相應的二次電流。

正常情況下，用電設備是平衡的負荷，一次電流的矢量和為零。二次線圈無電流輸出，脫扣器不動作，漏電開關正常運行。當設備發生漏電或人身觸電時，則故障電流使電源中性點偏移。由于對地出現漏電電流存在，流過互感器的矢量和不再為零，則其二次側有剩余電流流過，電磁脫扣器中有電流流過，當電流達到給定值時，脫扣器動作，漏電開關動作，切斷故障電路，從而起到保護作用。

3.7 顯示模塊

LCD顯示屏用處廣泛且發展迅速，是與它本身所具有的優點分不開的。優點概括起來是：亮度高、工作電壓低、功耗小、壽命長、耐沖擊和性能穩定。所以本文選用LCD模塊顯示用電設備用電量情況以及實時顯示用電設備的運行狀態。通過主芯片的程序控制，使它與其他模塊聯系在一起，實時的顯示其他模塊的工作狀態，以及實時的用電量。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。

4 軟件流程介紹

啟動MQX系統，在啟動系統之后，需要初始化定時器、中斷、啟動顯示。在一切初始化完成之后，系統分為三個進行工作，依照從左向右的順序進行介紹。

在初始化定時器、中斷、啟動顯示之后，在進行計量之前需要初始化ADE7878芯片，此時檢測定時器是否溢出，如果溢出便可以讀取電壓、電流、電量、功率因數的數值。讀取數值之后便可以在液晶屏上顯示實時的信息、負荷狀態。在GPRS遠程控制功能的實現中，首先需要初始化GPRS開串口中斷，當接收到信號的時候做出規約解析，如果是需要信息反饋則從ADE7878芯片讀取的數值中進行整合發送給用戶。另一方面便是判斷是否是對負荷的控制，如是則會將信號以以太網的方式傳輸信息給電力系統的后臺控制。最左邊的便是對以太網的啟動與使用。

5 實驗結果及分析

5.1 通訊系統檢測

分不同的時間段發射數據包給通訊系統，檢測接受數據包的情況如下表格和折線圖：

時間 9 10 11 12 13 14 15 16 17 100 100 100 100 100 100 100 100 100發包數98 99 97 100 97 99 100 99 99收包數0.98 0.99 0.97 1 0.97 0.99 1 0.99 0.99接收率

5.2 電表性能準確性檢測

6.結語

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，在保證系統穩定性的基礎上，充分利用了各微控制器的主要特點。采用ADE7858計量芯片，使用GPRS進行遠程控制，使插座能夠達到準確的反饋實時負載信息，并遠程對負載的通斷進行調控，從而達到安全用電的效果。本插座使用LCD顯示系統，可以直觀的得到實時信息。在負荷斷開的同時，本插座可以通過以太網，將負荷斷開情況反應給電力系統后臺。

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[13]GB/T12325-2008,電能質量供電電壓允許偏差[S].