基于ZigBee的細粒度電量智能無線監(jiān)控插座的設(shè)計

高宜文，趙增華，徐瑞濤，石高濤，呂志宏

（天津大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072）

目前，全球都處于能源緊缺的狀態(tài)，節(jié)約能源對于中國的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。要想節(jié)約能源，就必須合理地利用有限的能源，這就要求將浪費減到最小，需要對電器進行細粒度電量監(jiān)測[1]。但是現(xiàn)有的計量設(shè)備[2-3]都是用來計量用戶總的用電量信息，而不能計量特定用電器特定時間段內(nèi)的耗電量。

本系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了一個基于ZigBee的家電能耗細粒度計量和控制的無線智能插座，其可以達到對電器耗電量的細粒度計量，并能通過繼電器有效控制電器的供電回路通斷。該設(shè)備分別利用電流互感器和電壓互感器采集流入電器的電流和兩端的電壓，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的功率值，然后交給微處理器處理和無線發(fā)送。同時，微處理器還可以通過繼電器控制電器回路的通斷。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及測量原理

基于ZigBee技術(shù)的細粒度電量監(jiān)控無線智能插座主要由電量采集單元、無線微控制器、智能開關(guān)控制單元和供電單元組成，系統(tǒng)構(gòu)成方框圖如圖1所示。

電量采集單元負責采集用電設(shè)備的能耗信息。采用專用的功率測量芯片，使監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息綜合誤差得到修正，精度高且硬件設(shè)計簡單，也省去了軟件上計算的復(fù)雜性。

采用集微處理器和RF收發(fā)芯片于一體的SoC芯片代替數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)通信模塊，既負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議等，又負責與其他節(jié)點或Sink節(jié)點進行無線通信、收發(fā)數(shù)據(jù)，并使得節(jié)點本身的體積縮小，功耗降低，成本縮減。

智能開關(guān)控制單元負責控制用電設(shè)備開關(guān)的通斷，命令由無線微控制器發(fā)出，動作的實施由控制單元執(zhí)行。采用繼電器來完成通斷電控制的功能。

供電單元負責為其他單元提供工作電壓。采用外接AC-DC開關(guān)電源以減小節(jié)點體積，然后利用穩(wěn)壓芯片得到各模塊芯片所需的工作電壓。

電壓、電流信號分別通過電壓互感器和電流互感器采樣，并通過流/壓變換電路轉(zhuǎn)換為電能表芯片接收的信號輸入到電能表芯片的模擬信號輸入端，電能表芯片據(jù)此由內(nèi)部的電能計算函數(shù)計算出電能、有功功率、無功功率及功率因數(shù)等各種電參數(shù)，并按類型存入相應(yīng)寄存器中。無線微控制模塊通過雙向串行接口與電能表芯片相連，讀取測量的各種電參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)部的無線通信電路將計量結(jié)果向控制中心傳輸。

2 電量采集單元

數(shù)據(jù)采集單元是智能電量采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重要部分，也是保證該節(jié)點的電量測量精度的重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集單元主要由電壓采樣電路、電流采樣電路、電子式電表專用芯片CS5463[4]等構(gòu)成，硬件框圖如圖2所示。

電壓、電流信號分別通過電壓互感器和電流互感器采樣并通過流/壓變換電路轉(zhuǎn)換為電能表芯片CS5463接收范圍內(nèi)的信號并輸入至CS5463的模擬信號輸入端。CS5463電壓和電流輸入通道皆采用差分輸入，電壓通道輸入范圍為150 mV，電流通道根據(jù)增益設(shè)定的不同（為10或50），相應(yīng)的輸入電壓范圍為150mV或30 mV。CS5463據(jù)此由內(nèi)部的電能計算函數(shù)計算出電能、有功功率、無功功率及功率因數(shù)等各種電參數(shù)，并按類型存入相應(yīng)寄存器中。

2.1 電壓采樣電路

電壓采樣電路由電壓互感器、電阻網(wǎng)絡(luò)和去抖電容組成。電壓互感器采用維博WB系列PT43B002交流電壓采樣器[5]，為變比 1：1的電流型電壓互感器。采用特制隔離模塊，將被測交流電壓隔離轉(zhuǎn)換成同頻同相的小交流電流信號。將220 V的N線與L線按照電壓互感器產(chǎn)品標簽上的標注分別與V+與V-連接，以保證輸出信號與輸入信號同相。該互感器是通過從輸入回路中索取1 mA電流來達到測量目的的,工作時須使用外部定標電阻，阻值按1 000 Ω/V選取，改變阻值可以達到測量不同電壓的目的。輸出端為跟蹤電流源輸出,滿度標稱輸出為1 mA，使用時需要在次級跨接采樣電阻。根據(jù)后面連接的電能表芯片CS5463要求的150 mV的電壓范圍，將電阻阻值定為150 Ω。電壓采樣電路原理圖如圖3所示。

2.2 電流采樣電路

電流采樣電路由電流互感器、電阻網(wǎng)絡(luò)和去抖電容組成。電流互感器采用維博WB系列CT43B402[6]交流電流采樣器，為變比2 000：1的電流互感器。采用特制隔離模塊，將被測交流電流轉(zhuǎn)換成同頻同相的小交流電流信號。將220 V的N線按照電流互感器產(chǎn)品標簽上的輸入信號方向穿過互感器，以保證輸出信號與被測信號同相。輸出為電流源輸出，使用時應(yīng)在輸出回路中串入采樣電阻。由于最大測量的交流電流為10 A，根據(jù)變比可算得輸出電流為5 mA，由于后面連接的電能表芯片CS5463要求的電壓范圍為150mV，將電阻阻值定為30Ω。電流采樣電路原理圖如圖4所示。

2.3 電子式電能表芯片CS5463

CS5463由兩個可編程的增益放大器、兩個Δ-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、高速濾波器、功率計算引擎、串行接口、偏置和增益校準、功率監(jiān)測、電源監(jiān)視器及相應(yīng)的功能寄存器等組成。模擬的電流/電壓輸入通道輸入的是差分電壓信號，滿量程輸入為±250 mV。兩個可編程放大器采集電流和電壓數(shù)據(jù)，放大后由Δ-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬量進行采樣、處理，采樣的結(jié)果通過數(shù)字低通或可選的高通濾波器（HPF）濾取符合要求的電流電壓數(shù)字信號。電流和電壓通道都提供了一個可選的高通濾波器，它可以除去電流和電壓信號里的全部直流成分，減少有效值、有功功率、電能等計算中由電流或電壓信號的偏移帶來的不精確性。功率計算引擎計算各類電參數(shù)，如電流有效值、電壓有效值、有功功率、無功功率等，將計算的結(jié)果值存儲在相應(yīng)的寄存器中，并通過串行接口（SPI）輸出。CS5463內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

3 數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元采用Jennic公司的JN5139[7]模塊實現(xiàn)。在設(shè)計時，將JN5139模塊的所有引腳都引出以便系統(tǒng)的擴展。

JN5139模塊是基于Jennic第二代無線微控制器的低功率無線通信模塊，它能使客戶在最短的時間內(nèi)以最低的成本實現(xiàn)IEEE 802.15.4或ZigBee的無線系統(tǒng)。該模塊減少了用戶對于RF射頻設(shè)計和測試工裝的昂而貴漫長的開發(fā)。該模塊利用Jennic公司的JN5139無線微控制器來提供完整的射頻和RF器件的解決方案，提供了開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需要的豐富的外圍器件。

4 智能開關(guān)控制單元

本著節(jié)能的目的，根據(jù)采集到的各種電器的能耗數(shù)據(jù)，可以預(yù)測到用戶的用電習慣，比如用戶在哪個時間段用什么電器。根據(jù)用戶的用電習慣，為電器定時，或者由用戶進行遠程控制，系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動控制對電器的開關(guān)通斷。

通斷電控制電路應(yīng)用繼電器完成。繼電器是常用的一種控制設(shè)備，繼電器的高低壓隔離及開關(guān)特性在很多的控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。電路設(shè)計圖如圖6所示。

電路的工作原理是，在正常情況下，處理器的I/O口為低電平，三極管處于截止狀態(tài)，繼電器線圈內(nèi)無電流，所以繼電器處于常閉狀態(tài)，用電器處于供電狀態(tài)；當需要斷電時，I/O口置高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈內(nèi)有電流流過，使繼電器處于常開狀態(tài)，切斷供電。

圖6中的二極管是專門為保護驅(qū)動器而設(shè)置的。在驅(qū)動器的輸出由“1”變“0”、繼電器的線圈從有電流變到無電流過程中，由于它的線包是感性負載，因此會產(chǎn)生很高的感性電勢，此時二極管提供的泄洪回路可保護驅(qū)動器不被反電勢擊穿。

5 電源管理單元

嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中最重要并且最嚴重的干擾來源于電源的污染。通常，嵌入式系統(tǒng)使用的電源一般都是由市電電網(wǎng)的交流電經(jīng)變換后得到的。隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，市電電網(wǎng)電源污染問題日趨嚴重。同時，各種干擾也極易耦合到供電線路中，這種電源干擾將會通過嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的電源線路引入到系統(tǒng)中。因此，設(shè)計可靠的、抗干擾性能良好的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)供電電路對提高系統(tǒng)抗干擾性能來說是非常重要的。

本設(shè)備上器件的工作電壓共有12 V、5 V和3.3 V三種。供電單元需要提供這三種電壓以使所有器件正常工作。電源設(shè)計原理圖如圖7所示。

6 功能驗證

電量監(jiān)控模塊典型的應(yīng)用形式是一個集本文設(shè)計的模塊、AC-DC轉(zhuǎn)換器和普通插座為一體的智能插座。AC-DC轉(zhuǎn)換器將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，用以為電量監(jiān)控模塊供電。插座的干路穿過電流互感器以采集原始電流數(shù)據(jù)，而電壓互感器則并聯(lián)在火線和零線之間以采集原始電壓數(shù)據(jù)。

本電量監(jiān)控模塊可以通過無線組網(wǎng)來組成更大的監(jiān)控系統(tǒng)。以下對系統(tǒng)的功能驗證的實驗采用的就是這種體系結(jié)構(gòu)。

為了驗證系統(tǒng)的功能，選取了普通筆記本電腦進行測量[1]，統(tǒng)計能耗情況。

實驗一：測量IBM T43 2668筆記本分別在正常工作、運行游戲、運行視頻、運行 Windows update程序、待機和休眠6種情況下的功率情況。

本實驗利用電量采集智能插座，其內(nèi)部的電量采集模塊采集電量信息的頻率設(shè)置為1次/s，采集到的信息上傳服務(wù)器的頻率設(shè)置為1次/min，因此，測得的每個數(shù)據(jù)是1 min內(nèi)得到的60個數(shù)據(jù)的平均值。這里，對每一種狀態(tài)的測試持續(xù)10 min，分別得到10個數(shù)據(jù)。此外，由于Window update程序運行的時間無法自由控制，因此，這里采用多次累計測得10 min的數(shù)據(jù)。表1列出了測試結(jié)果。

從表1可以看出，不同的工作狀態(tài)下IBM T43 2668在單位時間消耗的能量是不同的。運行游戲程序和播放視頻的時候耗能相對較多，這是因為這兩類任務(wù)都需要顯卡來處理大量的數(shù)據(jù)，而且，視頻的編解碼也會占用大量的CPU時間，耗能較多。正常工作指的是在啟動計算機以后，不進行任何操作。前3 min耗電比較多是因為系統(tǒng)剛開始啟動，某些系統(tǒng)服務(wù)和啟動項需要啟動，之后耗電逐步穩(wěn)定。待機狀態(tài)耗電明顯降低，而休眠狀態(tài)測得的值為0，與理論值一致。

表1 IBM T43 2668不同狀態(tài)下的功率測量值

實驗二：用戶行為分析。

為了說明系統(tǒng)基于測量的用戶用電行為分析，對1臺學(xué)生科研用的IBM T43 2668筆記本電腦日常耗電情況進行了監(jiān)測，檢測時間為60 min，要求學(xué)生在60 min內(nèi)每個時刻只可以讓電腦處于實驗一提到的6種狀態(tài)之一。

采集數(shù)據(jù)的頻率和獲得數(shù)據(jù)的頻率與實驗一相同。60 min內(nèi)獲得了60個數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8中，1處為第一個峰值，而1和2處的平均值是8.95 Wh，與實驗一中的數(shù)據(jù)對照，發(fā)現(xiàn)符合正常運行時的情況，因此，推斷此處為運行其他程序的情形。3處是第二個峰值，此處耗電相對較穩(wěn)定，經(jīng)計算均值為15.56 Wh，與實驗一中的數(shù)據(jù)對照，發(fā)現(xiàn)此處和運行游戲的情形吻合，因此推斷此時在運行游戲程序。大約20 min的時候，耗電急劇下降，到達了低谷4處，經(jīng)計算，此處的耗電均值為6.47 Wh，對照實驗一的數(shù)據(jù)，推斷此時是待機狀態(tài)。再觀察5處，又有個小的峰值，并且看似與2處持平，推斷此時電腦從待機狀態(tài)恢復(fù)了正常運行狀態(tài)。6處達到了整個實驗的最高處，而實驗允許操作者進行的最耗能的操作是觀看視頻，所以推斷此時是視頻播放狀態(tài)。同樣，可推斷7處是操作者進行了系統(tǒng)更新操作，而8處的耗電量為0，可以斷言是休眠導(dǎo)致的。最后，將這些推斷與操作者實際進行的操作進行對照，發(fā)現(xiàn)完全吻合。由此，成功實現(xiàn)了一個簡單的用戶行為分析。

通過以上的兩個實驗可以對系統(tǒng)做出簡單的功能性驗證。從實驗一可以看出該系統(tǒng)可以對用電器的用電進行細粒度的檢測。實驗二說明這些檢測到的細粒度耗電信息可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_用作行為分析，從而做出相應(yīng)的決策。本系統(tǒng)可以通過控制繼電器來實現(xiàn)對電器回路通斷的控制，這就是一種典型的決策實現(xiàn)方式。

本系統(tǒng)采用了高精度的電子式電能表專用芯片，配合低功耗無線微控制模塊實施電能監(jiān)測，同時還可以動態(tài)控制電器的通斷。另外，由于此設(shè)備裝有ZigBee模塊，因此，可以用來和其他帶有ZigBee模塊的設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)，從而使電量數(shù)據(jù)具有更廣泛的應(yīng)用。

[1]石高濤，趙增華，徐瑞濤，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的細粒度電器能耗計量系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23（6）.

[2]黃界.基于AVR的智能節(jié)能插座設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（12）：188-190.

[3]溫鐵鈍，孫鍵國，張?zhí)旌?無線遙控智能插座的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2003，22（10）：53-55，59.

[4]電子式電表專用芯片CS5463[EB/OL].[2011-09-01].http：//icpdf.com/PartnoView.asp？ id=705711_514440.

[5]電壓互感器 WBPT43B002[EB/OL].[2011-09-01].http：//www.wb-my.com/products_show.asp？Cp_id=307.

[6]電流互感器 WBCT43B402[EB/OL].[2011-09-01].http：//www.wb-my.com/products_show.asp？Cp_id=303.

[7]無線模塊 Jennic JN5139[EB/OL].[2011-09-01].http：//www.jennic.com/products/wireless_microcontrollers/jn5139.