基于功率計量芯片的遠程智能電源管理系統研究

孫玥 王迪

摘? ?要：針對學校實驗室等多用電設備場合以及用電集中管理、降低能耗和用電安全等問題，文章研究了一種基于功率計量芯片的遠程智能電源管理系統。該系統由智能電源終端和后臺監控系統組成，可自動判定用電設備是否處于待機狀態，并根據場景通過電源終端設備對用電設備進行管理。應用表明，該系統具有自動感應和動態調節的特點，適用于多用電設備的實驗室、機房等場所，不僅節約電能，還可以集中管理用電設備，預防安全事故發生。

關鍵詞：HLW8012;智能電源終端;功率測量;電源集中控制

隨著物聯網技術的不斷發展，智能控制系統不斷走入人們的現實生活。對于教學活動而言，實驗室是一個承擔著重要教學任務的場所。但很多高校的實驗室對于電源的管理依然停留在傳統的人工管理階段，存在很多諸如樓宇管理員電源開關不及時而導致影響教學正常進行和電能浪費等現象。因此，本文以某高校的實驗大樓為例，設計了一套實驗室電源集控系統，以解決實驗室在使用過程中由于電源的原因所出現的一系列問題[1-3]。

1? ? 系統的整體設計

整個遠程智能電源管理系統由智能電源管理終端和后臺服務器組成，需要實現以下內容。

（1）智能電源管理終端通過TCP/IP協議接收服務器的控制指令，對實驗室的電器電源進行通斷控制。

（2）服務器端監控軟件擁有各實驗室電源狀況的監視功能，并能根據管理員的操作通過TCP/IP協議發送應相對的控制代碼至智能電源管理終端。

（3）定時發送狀態請求命令，讓智能電源管理終端定期反饋各實驗室電源的實時狀況。

（4）服務器端監控軟件擁有設置實驗室電源自動開啟時間功能。

基于上述需要實現的功能，系統在設計時總共包含兩大模塊：服務器監控軟件模塊與智能電源管理終端。其中，服務器監控軟件模塊主要以阿里云服務器為載體，通過網頁客戶端實現對智能電源管理終端的監視與控制。而智能電源管理終端則是采用ARM單片機為核心的實驗室電源控制系統，主要作用是接收服務器下發的控制信號，處理后對連接在其上的各實驗室電源進行控制，并實時將各實驗室的電源狀態信息反饋給服務器。服務器監控軟件模塊和智能電源管理終端采用無線連接，兩者之間采用TCP/IP通信協議[4-6]，系統具體框架如圖1所示，系統整體拓撲框架如圖2所示。

2? ? 智能電源管理終端的設計與實現

本文采用HLW8012計量芯片，該芯片為SOP8封裝，其振蕩器內置處理，以方便設計者的PCB布板。該芯片在提供電流、電壓有效值輸出的同時，還提供一個輸出為高頻的有功功率信號，方便系統對電量的統計[7-9]，其原理框如圖3所示。

2.1? 電流采樣設計

電流采樣可以采用兩種實現方式：使用互感器和使用分流器。本文采用的是分流器的實現方式，主要是基于以下兩點考慮：（1）錳銅分流器的成本比互感器低;（2）分流器的線性度比互感器更優。如圖4所示，電流經過分流器后，會在計量芯片的采樣端形成一個電壓差值，芯片通過采集電壓差值的大小來實現對電流信號的采樣。

分流器選型時，對于錳銅分流器阻值的選擇需要符合以下原則。

（1）分流器的功率要足夠大，發熱情況需符合技術要求。當負載功率較大時，流經分流器的電流較大，此時需保證分流器不會被燒壞，且阻值不應發生較大的偏差。

（2）分流器在最大負載時所產生的采樣信號不應超過計量芯片允許輸入的最大值。例如分流器的阻值為2 mΩ，理論上允許通過的電流最大值為30.9 mV/2 mΩ=15.45 A。在實際的應用過程中一般要留有20%～30%的余量，因此，允許最大的輸入電流值為10.3 A[10-11]。

2.2? 電壓采樣設計

電壓采樣則相對簡單許多，一般采集零線上的信號。由于電壓信號較大，可直接通過電阻網絡降壓的方式實現對電壓信號的采樣，原則上電壓采樣的信號不應超過通道最大允許輸入值的1/2。HLW8012電壓通道的最大允許輸入電壓信號為470 mV，那么在設計時電壓通道的最大采樣信號值應設為230 mV左右，如圖5所示。

3? ? 服務器監控軟件的設計與實現

本文的智能電源管理系統基于網絡化設計，是實驗室電源管理高效運作的重要支撐。根據實驗室管理的特點，關注實踐過程中所涉及的學生、教師等人員的實際需求進行系統主體架構設計，如圖6所示。

其中，服務器網站架構由學生用戶、教師用戶、管理員3個模塊組成。學生用戶可預約實驗室區域、查看記錄。教師用戶除了正常課表錄入的教學時間外，也可對課程進行預約、查看記錄。管理員對學生預約申請進行審核，并提前為必要的實驗設備供電，對實驗室區域進行監管，并對使用情況進行統計分析[12-15]。

4? ? 結語

本系統可以實時控制實驗區域中各個教室的空調與電燈的電源，可以及時了解實驗室區域情況并進行相應的處理。在常規實驗室管理工作中，本系統也可以節省管理員的時間，實現電源自動定時開關，有效避免電能過度浪費、電源漏關或漏開情況的出現。本系統具有自動化和智能化的特點，具有一定的實際應用價值。

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Abstract：Aiming at the problems of centralized management of power consumption， energy consumption reduction and power safety in school laboratories and other situation， in this paper， a remote intelligent power management system based on power metering chip is researched. The system consists of intelligent power terminal and background monitoring system. The system can automatically determine whether the electrical equipment is in standby state， and manage the electrical equipment through the power terminal equipment according to the scene. The application shows that the system has the characteristics of automatic induction and dynamic regulation. It is suitable for laboratories， computer rooms and other places where plenty of power consumption equipment is used. It not only saves electric energy， but also centralizes the management of power equipment， and prevents safety accidents.

Key words：HLW8012; intelligent power terminal; power measurement; power centralized control