基于功率計量的智能插座設計與實現

周禮達, 張佳卿, 李勃

(1.上海軟中信息技術有限公司, 上海 200000 2.上海計算機軟件技術開發中心, 上海 200000 3.上海產業技術研究院, 上海 200000)

基于功率計量的智能插座設計與實現

周禮達1, 張佳卿2, 李勃3

(1.上海軟中信息技術有限公司, 上海 200000 2.上海計算機軟件技術開發中心, 上海 200000 3.上海產業技術研究院, 上海 200000)

隨著科技的發展，電器產品種類愈發豐富，電器的管理和安全成為了新挑戰。提出了一種新型智能插座，該插座通過對某一電器運行功率進行檢測，從而控制聯鎖開關，有效地節省其余電器待機狀態能耗。實驗結果表明產品能夠準確實現功率計量、有效實現聯鎖控制，方便電器管理，減少電器待機時間、節約能耗。

功率計量； 智能插座； 聯鎖控制

0 引言

隨著科技的發展，電器產品種類變得越來越豐富，便捷了人們的辦公生活方式，同時也給管理和安全帶來了挑戰。傳統智能插座以縮減待機能耗[1]為研究方向，而新型智能插座主打手機控制或遠程遙控[2-4]，改變了人們日常電器使用習慣。現代辦公生產環境、家庭生活環境中諸如PC和測試儀器、電視機和機頂盒等共同使用的電器種類越來越多。本文設計了一種智能插座，通過計量插座內主用電器的功率來判決其余設備運行狀態，以實現主用電器待機狀態下切斷插座內共同使用的電器，或啟動插座內共同使用的電器，方便日常電器管理，在不改變傳統使用方式的情況下節省了電能。

1 智能插座結構設計

智能插座整體結構,如圖1所示。

圖1 智能插座整體結構

MCU選用STM32F103C8T6，它使用高性能的ARM CortexTM-M3 32位的RISC內核，工作頻率72 MHz，內置3個通用16位定時器，3個USART接口，完全支持實現整個智能插座的管理及控制。電源模塊提供各個模塊單元的供電，實現從220 V到3.3/5 V的電壓轉換。功率計量模塊針對主孔位的電器負載進行功率計量，判斷電器運行/待機狀態，功率計量選用CSE7759，它是一款單相多功能計量芯片，支持電壓、電流、功率和電量測試，成本低廉，適合電能表、計量插座、數顯表等應用。控制驅動模塊實現對聯鎖孔位的開關，為提高開關安全和開關壽命，宜選用晶閘管[5]BTA10-400控制并用光耦進行電氣隔離。為了適應人們傳統的電器使用習慣，智能插座采用靜默方式實現控制，無需遠程遙控，因此只需選用藍牙模塊以實現門限判決等配置功能。

2 功率計量

2.1 功率計量電路

功率計量電路選用單相多功能電能計量芯片CSE7759，芯片采用SOP8封裝，具有體積小巧、測量精度高、外圍電路簡單等特點，適合于電能表、計量插座等應用。其典型應用電路,如圖2所示。

圖2 功率計量電路

在芯片電源端，并聯兩個小電容，濾除來自電網高頻及低頻噪聲。電流信號u1經過錳銅電阻采樣后接入芯片，電壓信號u2通過電阻網絡降壓后接入芯片。CSE7759內置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、電壓有效值的計量，并以脈沖方式輸出。

2.2 功率計量與校準

CSE7759的內部DSP具有一定的增益，經過頻率轉換模塊后，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，fosc為內置晶振，典型頻率3.579 MHz，VREF為內置基準源，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，實際測量得到的頻率與理論頻率(公式1計算所得)誤差較大，所以需要對頻率進行校準。由公式(1)可知功率計量時功率與頻率成線性正比關系，因此功率計量時,如式(2)。

(2)

其中Pcal為校準功率值，Tcal為校準功率值實測到的周期值，T為待計量有功功率值實測的周期值。

2.3 脈沖頻率測量

功率計量通過測量CSE7759的CF引腳輸出頻率來計算功率，MCU通過脈沖周期測量來獲取頻率信息。功率計量所測頻率根據功率大小成反比例動態變化，具體輸出在0-2 kHz之間，處理器在測量高頻脈沖周期時會產生較大誤差。考慮測量精度和測量效率的關系，推薦采用分段測量的方法[6-7]，當檢測為高頻脈沖時定時測量單位時間內的脈沖個數；當檢測為低頻脈沖時直接測量單個脈沖周期，處理器脈沖頻率測量流程圖如圖3所示。

圖3 脈沖頻率測量流程

3 校準與測試

3.1 計量芯片校準

智能插座在正式電量參數測量前需要對計量芯片CSE7759進行校準，以提高電量采集的精密度[8]。通過使用標準交流電源、參考負載對智能插座進行校準，功率校準計算方法參考式(2)。參考負載分別選用額定100 W、1 000 W的純阻性負載。測試結果,如表1、表2所示。

表1 使用1 000 W負載校正后的功率

表2 使用100 W負載校正后的功率

為獲取小功率時的計量準確度，建議選用小功率的負載進行校準。

3.2 智能插座測試

智能插座設計目標通過功率計量切斷插座內其余插孔電源。測試實驗方法：將測試設備接入主孔位進行功率計量，并接入功率計分別測試運行功率、待機功率10次，記錄并求取平均值。選用穩壓電源，電烙鐵作為負載接入聯鎖孔位，通過手機根據不同測試設備的功率平均值設置判決門限，延時時間10秒，具體設置,如表3所示。

表3 智能插座測試設置值

測試結果：智能插座設置后，根據測試設備待機或運行狀態，插座能夠有效切斷或恢復對聯鎖孔位的負載供電。

4 總結

基于功率計量的智能插座，可以有效提高傳統插座的智能化水平，通過功率計量有效切斷相關電器電源，解決了生產辦公、日常生活中電器管理的不便。智能插座可以有效應用于智能家居、日常辦公、實驗開發等環境，提高管理效能、節省電量。

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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(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:計算機。

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

TP311

A

2016.12.30)