基于CS5460芯片的智能家居用電監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

彭桂力，潘雷，王秀麗，李維

基于CS5460芯片的智能家居用電監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

彭桂力，潘雷，王秀麗，李維

隨著近年智能電網(wǎng)與階梯電價(jià)理念的提出，科學(xué)用電已經(jīng)越來(lái)越受到居民的重視。電力系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)控、采集電力參數(shù)是實(shí)現(xiàn)智能家居的重要環(huán)節(jié)，快速準(zhǔn)確地采集用電系統(tǒng)中各用電設(shè)備的電參數(shù)(電壓,電流, 功率,功率因數(shù)等)是實(shí)現(xiàn)智能家居不可或缺的重要因素。提出了一種基于SOC系統(tǒng)的用電監(jiān)控裝置，可對(duì)用戶用電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)，利用wifi技術(shù)傳入網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，該平臺(tái)上可以將所有電器的耗電數(shù)據(jù)收集到服務(wù)器中，進(jìn)行監(jiān)控。而后，通過(guò)wifi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制電器，從而達(dá)到節(jié)省家庭電費(fèi)的效果，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)也可以將數(shù)據(jù)傳給電力系統(tǒng)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到各個(gè)用戶家庭用電情況，采取相應(yīng)措施，最終達(dá)到節(jié)能效果。

實(shí)時(shí)監(jiān)控；電量檢測(cè)；節(jié)能；無(wú)線控制

0 引言

能源問(wèn)題是制約當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)的核心問(wèn)題，其中電力能源是重中之重，如何進(jìn)行電力的節(jié)能問(wèn)題是當(dāng)今研究的核心。智能電網(wǎng)理念和國(guó)家階梯電價(jià)的提出，讓人們更加認(rèn)識(shí)到電力節(jié)能的重要性，基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能家居電能計(jì)量和監(jiān)控方案已逐步形成，這意味著電力節(jié)能已經(jīng)向個(gè)人家居邁進(jìn)。2012年6月，天津開(kāi)始實(shí)行了階梯電價(jià)，電價(jià)將隨著用戶均消費(fèi)電量的增長(zhǎng)，成階梯型逐級(jí)遞增，用戶用電量越多價(jià)格越高。基于節(jié)能的考慮和用戶用電的知情權(quán)，用戶和用電單位急需要了解自身的用電情況，一年內(nèi)到底用多少電，哪些用電器是比較耗電的，如何通過(guò)某種方式來(lái)節(jié)省用電。基于這種考慮，本文提出一種以用戶和用電單位為服務(wù)對(duì)象的，以電量采集和控制為核心的智能家居電量采集裝置，這個(gè)裝置可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控家中的各個(gè)用電器，同時(shí)，記錄每一個(gè)用電器的用電量，進(jìn)行總結(jié)分析，可以將不必要的用電器進(jìn)行關(guān)閉，這樣將有助于用戶和用電單位成本的降低。

智能家居電量監(jiān)控裝置是實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器電量的進(jìn)行測(cè)量、統(tǒng)計(jì)、記錄為一體，同時(shí)，可以通過(guò)wifi網(wǎng)絡(luò)對(duì)用電器遠(yuǎn)程控制。裝置所采集的電量參數(shù)主要包括電壓、電量、功率、功率因數(shù)等。作為數(shù)據(jù)電量的采集單元，它能夠?qū)崟r(shí)采集該用電器的用電信息，實(shí)時(shí)傳送到系統(tǒng)終端上。當(dāng)發(fā)現(xiàn)用電異常時(shí)，該裝置可以自動(dòng)斷電起到保護(hù)用電器的作用，當(dāng)發(fā)現(xiàn)該用電器一直處于開(kāi)啟狀態(tài)并沒(méi)有人利用時(shí)，也可以通過(guò)遠(yuǎn)程手動(dòng)進(jìn)行關(guān)閉。

本設(shè)計(jì)裝置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，并通過(guò)A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。然后將數(shù)字量輸入SOC系統(tǒng)進(jìn)行處理，計(jì)算出電壓、電流、功率等數(shù)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要包括控制中心、采集模塊、無(wú)線傳輸?？斓戎饕獑卧Ｒ許TC90C516RD機(jī)為主要控制芯片，該裝置啟動(dòng)后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)家用電器的耗電量，并能通過(guò)無(wú)線傳輸將該網(wǎng)絡(luò)中所有用電器的耗電數(shù)據(jù)上傳到終端中，存儲(chǔ)在智能家居電量監(jiān)測(cè)終端上，通過(guò)終端對(duì)家用電器的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與分析。如果出現(xiàn)過(guò)電流和失壓的現(xiàn)象，該裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)的蜂鳴器將會(huì)持續(xù)響30s以示提醒，并通過(guò)控制電路切斷電源，以保護(hù)用電器，并且該報(bào)警事件可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送至電腦終端。如果該用電設(shè)備一直處于工作狀態(tài)，但是并沒(méi)有人操作，這時(shí)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)用電器進(jìn)行關(guān)閉，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

該裝置能準(zhǔn)確地測(cè)量家用電器的電壓等參數(shù)，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控家用電器的狀態(tài)，安裝和使用方便，市場(chǎng)前景比較廣闊，還可以將其廣泛應(yīng)用于各種大型用電設(shè)備的監(jiān)控中，將各種用電設(shè)備數(shù)據(jù)接入互聯(lián)網(wǎng)，真正做到實(shí)時(shí)監(jiān)控用電器，讓用戶對(duì)自己的用電量有一定的認(rèn)識(shí)，合理的分配用電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，達(dá)到保護(hù)和節(jié)能的目的，同時(shí)還可以利用現(xiàn)在的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控用電設(shè)備的運(yùn)行，更加方便快捷。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)終端的電量采集單元可以實(shí)時(shí)地采集用電設(shè)備電壓、電流、功率等參數(shù)。主要的電量采集芯片選用了專用的功率測(cè)量芯片CS5460A，該芯片精度高且硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用方便。通過(guò)電壓互感器DL-PT202D和電流互感器DL-CT1005A分別采集到電壓、電流信號(hào)，并通過(guò)流/壓變換電路轉(zhuǎn)換信號(hào)，輸入電量檢測(cè)芯片CS5460A模擬信號(hào)輸入端，芯片就可以由內(nèi)部的電能自動(dòng)計(jì)算函數(shù)計(jì)算出該用電器的瞬時(shí)電流、瞬時(shí)電壓、電流有效值、電壓有效值、電能等各種參數(shù)，并按類型存入相應(yīng)寄存器中。利用單片機(jī)STC90C516RD就可以直接從CS5460A的寄存器中讀出相應(yīng)的參數(shù)，然后在單片機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，如果發(fā)現(xiàn)參數(shù)不對(duì)，出現(xiàn)失壓和過(guò)流現(xiàn)象，就可以利用單片機(jī)進(jìn)行切斷電源的控制，從而達(dá)到保護(hù)電路作用，也可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在單片機(jī)的Flash中。

將采集到的數(shù)據(jù)和信息通過(guò)WIFI模塊進(jìn)行無(wú)線發(fā)送，用其替代數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)通信模塊，微控制模塊HLK-WIFI-M03通過(guò)雙向串行接口與電量檢測(cè)芯片相連，讀取測(cè)量的各種電參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過(guò)內(nèi)部的通信電路將測(cè)量結(jié)果向智能控制終端進(jìn)行發(fā)送。

智能控制終端負(fù)責(zé)監(jiān)控出本裝置檢測(cè)出的各項(xiàng)實(shí)施電量信息并控制用電設(shè)備開(kāi)關(guān)的通斷，這項(xiàng)控制命令由WIFI微控制器發(fā)出，傳達(dá)到單片機(jī)上，然后利用單片機(jī)對(duì)控制單元進(jìn)行下達(dá)命令，利用繼電器的通斷，來(lái)完成通斷電以達(dá)到控制的功能。

智能家居用電監(jiān)控裝置硬件部分主要由供電單元、電量采集單元和單片機(jī)及其外圍電路組成，系統(tǒng)構(gòu)成方框圖如圖2所示：

圖2 硬件電路構(gòu)成方框圖

2.1 電量采集電路

電量數(shù)據(jù)采集單元是智能家居用電監(jiān)控裝置的重要部分，也是保證該單元的電量檢測(cè)精準(zhǔn)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、電量檢測(cè)專用芯片CS5460A等構(gòu)成。

首先，該裝置通過(guò)電流互感器和電壓互感器采樣之后得到的電壓電流值，電壓互感器采用DL-PT202D，它體積小、精度高、一致性好、專用于電力測(cè)量，是電流型電壓互感器，用于測(cè)量交流電壓信號(hào)。輸入額定電流為2mA，額定輸出電流為2mA。同時(shí)，采用的電流互感器DL-CT1005A也是專用于電力測(cè)量和保護(hù)，輸入額定電流為10A，額定輸出電流為5mA。

將采集到的電壓電流數(shù)據(jù)輸入CS5460A芯片，該芯片的電流和電壓輸入通道皆采用差分輸入，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250mV或50mV，電壓通道輸入范圍為250mV。該芯片是具有有功功率計(jì)算引擎的CMOS單片功率測(cè)量芯片，它包含了兩個(gè)ΔΣ 調(diào)制器、兩個(gè)增益可編程放大器、兩個(gè)高速濾波器，具有有效值/功率計(jì)算和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，以提供瞬時(shí)電流/電壓/功率數(shù)據(jù)采樣及IRMS 、VRMS、有功能量的周期計(jì)算結(jié)果。該芯片價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛，能在給定引腳上輸出脈沖串，輸出的脈沖數(shù)與有功能量寄存器的數(shù)值成正比。電壓

The Design of Power Monitoring Device of Smart Home Base on CS5460

Peng Guili, PanLei, Wang Xiuli, Li Wei
（1. Automation and Mechanics Engineering Tianjin ChengJian University, Tianjin300384,China; 2. Tianjin Lishen Battery joint–stock Co., Ltd. Second Division, Tianjin300384,China;）

In recent years, with the concept of smart grid and ladder electricity price，the scientific use of electricity has been increasingly emphasized. The implementation of real-time monitoring, collecting power parameters is an important part of the Smart Home. How to rapidly and accurately collecting electricity from electrical equipment of the system parameters (voltage, current, power, power factor, etc.) is an important factor in achieving the indispensable Smart Home. A system based on SOC is proposed ----electric monitoring device. This device can conduct real-time monitoring on household appliances power consumption and transmits network platform by wifi technology. This network platform can collect all electrical power consumption in data to the server and then control the electric equipment by wifi wireless network, so as to achieve electric appliances through the effect of power to save electricity charge. Meanwhile the network platform data also can be transferred to the power system to analyze the data. This aims to obtain user’s household electricity situation and takes appropriate measures to achieve energy savings.

Real-Time Monitoring; Power Detection; Saving Electricity; Wireless Control

TP393

A

1007-757X(2014)10-0045-04

彭桂力（1981-），男，天津人，碩士研究生，講師，研究方向：自動(dòng)控制理論,電工電子儀器儀表的開(kāi)發(fā)和研制，天津，300384

潘 雷（1981-），男，遼寧沈陽(yáng)，天津城建大學(xué)，講師，博士，研究方向：電力電子技術(shù)和控制工程，天津，300384

王秀麗（1977-），女，天津人，天津城建大學(xué)，講師，碩士，研究方向：電工技術(shù)和模式識(shí)別理論，天津，300384

李 維（1986-），女，天津人，天津力神電池股份有限公司，工程師，研究方向：鋰電池研究和軟件工程，天津，300384