基于ANDROID應用的智能計量插座設計

2015-09-21 01:30:24孫翠華葛年明

網絡安全與數據管理 2015年19期

孫翠華，葛年明，李圳

（1.三江學院電子信息工程學院，江蘇南京 210012；2.三江學院電工電子實驗中心，江蘇南京 210012）

0 引言

隨著物聯網的多方面應用，智能家居得到了快速的發展，并逐步進入人們的生活，改變著人們的生活習慣。隨著低碳經濟、綠色環保等可持續發展觀念的倡導，更多的人開始關注節能、重視家用電器的耗電量，計量插座便因此而生。

目前市場上已經有許多計量類插座，據調查，公認的幾大品牌有力創、北電、泰克曼和優利德等，而市場上這些插座功能都大同小異。但當前的這些智能插座設計以提供保護、監測或控制等單一功能為主，很難實現智能化和遠程控制，不能滿足智能家居系統的要求。

針對此，本文設計的計量插座不僅具有市場上一般智能插座的功能，還具有遠程監控的功能，真正實現了對電量使用的實時監控和管理，符合智能家居的發展方向與要求。

1 系統總體設計概述

1.1 系統總體結構

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

圖1 系統總體結構

1.2 電路基本工作原理及主要功能介紹

系統經計量模塊采集電量、電壓、功率、電流等相關電量數據，并送MCU處理，MCU將處理后的數據通過WiFi模塊，發送給手機用戶，手機用戶可以實時查看電量、電壓、功率、電流等數據，實現對家庭用電的監控[2]。另一方面，用戶可以通過手機對計量插座實現遠程控制[3]，通過手機向WiFi模塊發送指令，WiFi模塊將控制指令發送給MCU主控芯片，MCU進行處理后，對計量芯片進行配置，實現遠程控制通斷以及定時[4]等功能。

2 系統硬件電路設計

2.1 電源電路

本系統采用電容器降壓的方式，直接將220 V市電通過CBB電容及穩壓二極管轉化為5 V直流電，給繼電器及計量芯片供電。再利用HT7533穩壓管將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，擁有5個低功耗模式，先進的STM8核心以及 32 kHz和1～16 MHz晶體振蕩器，另外它有 4個通道，分別是 ADC、DAC、SPIS、W2C。還有 USART接口，有高達64 KB的快閃記憶體和高達2 KB的數據EEPROM、ECC和RWW以及靈活的讀/寫保護模式。

2.3 計量模塊電路

計量模塊中用到的計量芯片為ATT7039AU，該模塊提供三項電能計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等，支持軟件校表方式。通過SFR寄存器和中斷的方式，可以對數字信號處理部分進行校表參數配置和計量參數讀取；計量的結果通過FR/QF引腳輸出，也即校表脈沖輸出，可以直接接到標準表進行誤差對比。計量模塊具體電路如圖3所示。

2.4 繼電器控制電路

系統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備。繼電器設計如圖4所示。

在正常情況下，ATT3079處理器的I/O口為低電平，NPN三極管處于截止狀態，此時繼電器線圈內并無電流，所以繼電器L-IN與L-OUT之間處于常閉狀態，用電器處于正常工作狀態；當需要斷開用電器時，I/O口置高電平，NPN三極管導通，此時繼電器線圈內有電流流過，使繼電器L-IN與L-OUT之間處于常開狀態，切斷用電器供電。

圖3 計量模塊電路圖

圖4 繼電器驅動電路圖

3 系統軟件設計

本系統采用C語言編寫，程序編寫使用模塊化和層次化的設計方法，使程序更加可靠，方便開發人員的調試和維護。程序功能模塊包括程序初始化模塊、計量芯片主控模塊、計量參數校正、LCD顯示模塊、按鍵處理模塊、計量參數讀取處理模塊、定時模塊和繼電器控制模塊。采用模塊化編程使得程序更加簡潔，將每個模塊都放在一個.C文件里面，只需要在主函數中調用就可以使用此模塊的功能。系統主程序如圖5所示。

系統程序中還用到定時器中斷服務程序，每100 ms采集、處理一次計量芯片所得到的數據。其余時間用在按鍵掃描、繼電器控制和收發ZigBee模塊數據上面。這樣就能夠給每個模塊都分配一定的時間，不會出現互相干擾的現象。

圖5 主程序流程圖

同時利用終端服務器監控計量插座客戶端和Andriod手機客戶端，當計量插座要通過WiFi發送數據給Andriod手機時，服務器接收到信號，并建立WiFi連接處理請求，回應數據完成后結束連接繼續監聽；當Andriod手機客戶端向計量插座發送數據請求時，同樣先建立連接后處理請求，結束后繼續監聽。具體通信程序設計如圖6所示。

圖6 Andriod手機與插座通信流程圖

4 系統測試與分析

4.1 計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EMU特殊功能寄存器進行配置（如：SUPD內部模塊使能控制寄存器等）。并且對ADC控制寄存器進行配置，對電壓ADC獨立配置放大信號1倍，電流ADC獨立配置放大信號16倍。寄存器配置完后接上電源，電參數的數據都將存入計量參數寄存器中，但是直接讀出來的數據是不對的。需要對校表參數寄存器進行配置，對計量參數寄存器進行校正。