基于實(shí)驗(yàn)室用電安全的智能無線控制電源插座設(shè)計(jì)

唐英姿, 蔣 峰

(1.廣西師范學(xué)院 職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，南寧 530001;2.中南林業(yè)科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,長沙 410004)

基于實(shí)驗(yàn)室用電安全的智能無線控制電源插座設(shè)計(jì)

唐英姿1, 蔣 峰2

(1.廣西師范學(xué)院 職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，南寧 530001;2.中南林業(yè)科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,長沙 410004)

為保證實(shí)驗(yàn)室的用電安全，解決傳統(tǒng)電源插座智能化不足的缺點(diǎn)，防止火災(zāi)發(fā)生，做到實(shí)驗(yàn)室的全開放，文中設(shè)計(jì)了一種智能無線控制電源插座。該智能無線控制電源插座，選用高速單片機(jī)為主控器件，通過電流傳感電路、溫度測量電路、功率測量電路等模塊對實(shí)驗(yàn)室電源插座的供電狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和保護(hù)，并利用其內(nèi)部的GSM通信模塊實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)室管理人員手持終端之間的無線短信通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理人員對插座的遠(yuǎn)程監(jiān)測，最終到達(dá)安全用電的目的。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的智能無線控制電源插座能夠?qū)崿F(xiàn)過流(10 A)、過壓(250 V)、過熱(50 ℃)以及功率保護(hù)(2 500 W)，且能實(shí)現(xiàn)無線通斷控制以及保護(hù)閾值的初值設(shè)置，并能進(jìn)行語音報(bào)警提示，保證開放實(shí)驗(yàn)室的用電安全。

智能插座； 無線控制； 功率測量； 過流保護(hù); 實(shí)驗(yàn)室用電安全

0 引 言

隨著我國高校擴(kuò)招，在校學(xué)生數(shù)量不斷增多，為不斷提高在校學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，面對前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，特別是對以培養(yǎng)“應(yīng)用型人才”為目標(biāo)的普通本科學(xué)院而言，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)刻不容緩。培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，實(shí)驗(yàn)室的作用不言而喻。為將有限的實(shí)驗(yàn)室最大限度的利用起來，開放性實(shí)驗(yàn)室的管理方法應(yīng)運(yùn)而生。然而，開放實(shí)驗(yàn)室的管理主要以學(xué)生自主管理為主，由于學(xué)生缺乏必要的安全意識以及學(xué)生的自由進(jìn)出也難以管理，最近常有實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)火災(zāi)、爆炸等安全事故的報(bào)道。對于電子信息類專業(yè)學(xué)生而言，實(shí)驗(yàn)室的安全問題主要是插座用電引起的電火災(zāi)，此問題嚴(yán)重危害學(xué)生的生命安全[1]。

通常情況下，實(shí)驗(yàn)室的電源插座選用的是普通的電氣插座，不能提供用電的安全保護(hù)。為此，提出一種智能無線控制電源插座的設(shè)計(jì)方案[2-4]，用于保護(hù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)室的用電環(huán)境，杜絕實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)發(fā)生，為實(shí)驗(yàn)室的開放管理提供安全保障。

1 智能無線控制電源插座的總體設(shè)計(jì)方案

目前，實(shí)現(xiàn)無線通信的方式有藍(lán)牙、紅外、Zigbee、WiFi以及GSM技術(shù)等。藍(lán)牙、紅外通信距離近，Zigbee以及WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的方案復(fù)雜，設(shè)計(jì)成本高。文中根據(jù)實(shí)驗(yàn)室用智能無線控制電源插座遠(yuǎn)程無線簡單控制的實(shí)際情況，考慮到通信距離、設(shè)計(jì)成本等因素，選擇GSM通信方式來實(shí)現(xiàn)。

從用電安全角度出發(fā)，實(shí)驗(yàn)室用智能無線控制電源插座應(yīng)具備[5-8]：過流保護(hù)、過壓保護(hù)、功率保護(hù)、溫度報(bào)警以及無線控制等功能。當(dāng)插座接插用電設(shè)備后，將有電流輸出，這時(shí)電流傳感器開始工作，采集電源插座輸出電流；如果電源插座所接用電設(shè)備過多時(shí)，將出現(xiàn)電流以及功率過大的情況，則啟動保護(hù)電路斷開輸出。而當(dāng)電壓波動較大，超出15%時(shí)，也會啟動保護(hù)電路斷開輸出。當(dāng)插座輸出電壓、電流以及功率正常，但是由于其工作時(shí)間較長，引起溫度升高而超出設(shè)定值時(shí)，其內(nèi)部溫度采集電路將啟動保護(hù)電路斷開輸出，防止火災(zāi)發(fā)生。當(dāng)該插座保護(hù)電路工作時(shí)，還將啟動語音報(bào)警，并通過GSM短信方式發(fā)送給實(shí)驗(yàn)室的主管教師和PC機(jī)監(jiān)控終端。此外，為方便對插座的開關(guān)控制，也可以通過無線方式控制其通斷。根據(jù)智能無線控制電源插座的功能描述[9-10]，其總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

2 智能無線控制電源插座的硬件設(shè)計(jì)

圖1 智能無線控制電源插座的整體組成框圖

設(shè)計(jì)中，控制器選用單片機(jī)STC15W4K58S4，溫度傳感器選用LM75A，電流傳感器選用ASC712，功率采集選用專用電能測量芯片ADE7755，繼電器選用固態(tài)繼電器SRD-05VDC-SL-C，無線通信選用GSM 模塊——GTM900C，溫度語音報(bào)警選用語音芯片YF017實(shí)現(xiàn)。

2.1溫度采集電路設(shè)計(jì)

溫度傳感器選用LM75A，LM75A是內(nèi)置了一個(gè)帶隙溫度傳感器和一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字傳感器?？刂破魍ㄟ^I2C總線與其進(jìn)行通信。為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測量，LM75A還提供了3個(gè)可選的邏輯地址管腳，通過對這3個(gè)管腳的編程可以實(shí)現(xiàn)同一總線上同時(shí)連接8個(gè)器件而不出現(xiàn)地址沖突。其溫度采集電路見圖2。

圖2 溫度采集電路

為防止I2C總線信號混亂，由于LM75A連接到總線是集電極開路輸出或開漏輸出的結(jié)構(gòu)，故要在SDA與SCL引腳上外接上拉電阻。設(shè)計(jì)中LM75A只需要用1個(gè)，所以邏輯地址管腳A2、A1、A0選用最簡單的方式——全部接地。

2.2電流采集電路設(shè)計(jì)

電流傳感器選用ASC712，它是一個(gè)將電流轉(zhuǎn)換成電壓的器件。其輸出電壓與輸入電流的關(guān)系為：

Uout=2.5+0.185Ip

(1)

即沒有輸入電流的時(shí)候，對應(yīng)輸出電壓為2.5 V，精確度為185 mV/A。其電路如圖3所示。

圖3中P+、P-分別為用電流傳感器的電流輸入輸出端，經(jīng)過該電流傳感器的轉(zhuǎn)換，由7端輸出電壓，然后經(jīng)過A/D采樣芯片——12位的串行輸入芯片MAX1224進(jìn)行采樣處理。

圖3 電流傳感器連線圖

2.3功率采集電路的設(shè)計(jì)

電能測量芯片ADE7755是一種單電源、低功耗的高精度電能測量集成芯片。其內(nèi)部主要由16位二階∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器、信號處理電路、數(shù)字—頻率轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電路、電源監(jiān)控電路、低通、高通濾波器電路和可編程增益放大器電路等組成。16位二階∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器中用于采集模擬電流、電壓信號，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后數(shù)字信號經(jīng)過高通濾波電路，濾除信號中的直流分量，再將兩通道分別轉(zhuǎn)換后的電壓、電流直接相乘，從而計(jì)算出其瞬時(shí)功率，再對其進(jìn)行低通濾波，最終得到有功功率分量(直流分量)[11-12]，將該功率分量經(jīng)過D/F轉(zhuǎn)換后，從CF腳輸出與有功功率成正比的高頻脈沖信號。然后，將該信號經(jīng)光電耦合器TLP521-4隔離后輸出，送入到單片機(jī)的T0端，其測量電路如圖4所示。

圖4 ADE7755功率采集電路

設(shè)計(jì)時(shí)需注意：為了降低電源的紋波和噪聲干擾，DVDD、AVDDREFIN/OUT都需要添加10 μF電容并聯(lián)100 nF瓷介電容進(jìn)行去耦。對于CF的輸出頻率還需要用頻率計(jì)數(shù)器進(jìn)一步平均，以消除紋波。ADE7755對人體的ESD(靜電放電)敏感，故應(yīng)該采取靜電放電措施進(jìn)行芯片的保護(hù)，防止芯片損壞。

2.4溫度語音報(bào)警模塊

溫度語音報(bào)警選用語音芯片YF017。YF017芯片內(nèi)置電阻，只有3個(gè)IO口，外部僅需要接一個(gè)瓷片電容就可以穩(wěn)定的工作?？刂破鞯囊粋€(gè)IO引腳最多可控制存儲在YF017內(nèi)的32段聲音的任意調(diào)用和組合。其聲音的調(diào)用由DATA引腳上輸入的脈沖個(gè)數(shù)確定。如：需要播放第18段錄音時(shí)，控制器首先發(fā)送一個(gè)脈沖(脈寬大于0.2 ms即可，建議采用1 ms左右)到RST腳，對YF017進(jìn)行復(fù)位；接著連續(xù)輸出18個(gè)脈沖到DATA引腳，則YF017馬上工作，播放第18段的錄音。YF017芯片錄音地址內(nèi)容如表1所示。

根據(jù)表1可知，要實(shí)現(xiàn)溫度的語音播放報(bào)警，只需按照順序選擇地址23、1～10(根據(jù)溫度實(shí)際選取)、13、1～10、20即可。YF017芯片與控制器的接口電路如圖5所示。

表1 YF017語音芯片錄音地址內(nèi)容表

2.5GSM通信模塊的電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線通信，考慮到設(shè)計(jì)周期和制作成本，文中根據(jù)實(shí)際情況選用華為公司生產(chǎn)的一款兩頻段GSM/GPRS無線模塊——GTM900C。文中GTM900C使用AT命令集，選用UART接口與控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收。

圖5 YF017芯片與控制器的接口電路

3 智能無線控制電源插座的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)智能無線控制電源插座的功能，其控制程序包括：溫度采集程序、電流采集程序、功率測量程序、GSM無線通信程序以及顯示程序等。文中主要介紹功率測量程序以及GSM無線通信程序的實(shí)現(xiàn)過程。

3.1功率測量程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)ADE7755的工作原理[13]，對所隔離的脈沖信號采用計(jì)數(shù)的方式進(jìn)行，用內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定的積分時(shí)間對CF輸出的高頻脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，平均功率正比于平均頻率：平均功率=脈沖個(gè)數(shù)/積分時(shí)間。輸出頻率與輸入電壓大小有關(guān)，由下式確定：

(2)

式中：A為分流系數(shù)(10 mΩ電阻，10 A的輸入電流)，A=0.01；B為分壓系數(shù)，B=R1/(R4+R1)=1 kΩ/(1 MΩ+1 kΩ)≈0.001；U為交流輸入電壓值。

參數(shù)G和F1～4是由引腳SCF、G1、G2、S0、S1共同確定的，在電路設(shè)計(jì)中，把SCF置為高電平，而由于倍頻數(shù)的改變與F1～4改變互相抵消，S0、S1的改變對脈沖常數(shù)沒有影響，故設(shè)計(jì)時(shí)取S0=1、S1=1，那么F1～4=13.6，倍頻數(shù)為16，則最后的脈沖常數(shù)只與G0、G1的電平值相關(guān)，G0、G1的電平選擇通過撥碼開關(guān)S1、S2的通斷實(shí)現(xiàn)。程序流程如圖6所示。

3.2GSM無線通信收發(fā)程序

為實(shí)現(xiàn)對智能無線控制電源插座的遠(yuǎn)程無線控制，設(shè)計(jì)中依據(jù)GSM的通信原理[14-15]，利用AT命令實(shí)現(xiàn)短信的無線收發(fā)控制。通常情況下，GSM通信有兩種工作模式：PDU模式以及TEXT(文本)模式[16]。PDU模式采用unicode編碼，既可以發(fā)送英文字符，也能發(fā)送漢字，但其設(shè)計(jì)時(shí)間長、復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大；TEXT(文本)模式實(shí)現(xiàn)簡單，雖只能發(fā)送英文字符，但不需要對其進(jìn)行編碼。因此，為簡化設(shè)計(jì)難度，文中選用TEXT(文本)模式，通過命令行：AT+CMGF=1實(shí)現(xiàn)模式的選擇。

圖6 功率測量程序流程圖

GSM通信實(shí)現(xiàn)的步驟為：①建立通信握手連接；②設(shè)置通信傳輸速率；③設(shè)置通信模式；④設(shè)置收發(fā)短信的短信中心碼；⑤設(shè)置數(shù)據(jù)接收模式。GSM通信模塊初始化程序如下[16]，程序中Send_Command()函數(shù)(發(fā)送命令函數(shù))中的第一個(gè)參數(shù)表示AT指令碼，第二個(gè)參數(shù)值表示指令碼的字符長度：

void GSM_Init(void)

{

Send_Command(Command_ATE，5); //設(shè)置回顯

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT，3); //建立連接

delay1(10);

Send_Command(Command_AT_IPR，12); //設(shè)置波特率=9600

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT_CMGF，10); //設(shè)置為text格式

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT_CSCA，23); //設(shè)置為短信中心號碼格式

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT_CNMI，14); //設(shè)置為中斷方式接收短信，

delay1(1000);

}

其短信接收流程如圖7所示。

短信發(fā)送程序的代碼如下：

void Send_Message(void)

{

圖7 短信接收程序流程圖

Send_Command(Command_AT_CMGS，20); //發(fā)送到指定號碼

delay1(2000); //等待回復(fù)輸入符號

Send_Command(Command_Control，33);

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT_End，1); //發(fā)送短信結(jié)束符

delay1(100);

}

4 測試

利用所設(shè)計(jì)的樣品插座，通過手機(jī)進(jìn)行模擬的溫度無線短信報(bào)警通信測試試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定溫度下限為25 ℃，上限為32 ℃，進(jìn)行模擬溫度數(shù)據(jù)GSM短信通信傳輸，結(jié)果如圖8所示。

結(jié)果分析：

(1) 在12:36和15:35進(jìn)行的兩次測試，手機(jī)接收到高溫報(bào)警短信。由于一直沒有采取降溫措施，報(bào)警一直持續(xù)，故連續(xù)收到兩條相同的短信。

(2) 在21:35也進(jìn)行了高溫報(bào)警測試，手機(jī)同樣接收到高溫報(bào)警短信。之后對測試插座進(jìn)行風(fēng)扇降溫，當(dāng)插座溫度降到25 ℃以下后，收到顯示高溫報(bào)警解除的短信。插座上液晶屏顯示的報(bào)警信息也自動更新，自動解除。

5 結(jié) 語

文中所設(shè)計(jì)的智能無線控制電源插座能夠?qū)崿F(xiàn)過流、過壓、過熱、功率保護(hù)，且能通過手機(jī)短信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線短信的通斷控制以及初值設(shè)置，并能進(jìn)行語音報(bào)警提示；其過流門限值為10 A；過壓保護(hù)門限值為250 V，功率保護(hù)門限值為2 500 W，溫度門限設(shè)置為50℃，且其值能自由設(shè)定。該系統(tǒng)能夠保障實(shí)驗(yàn)室用電的安全，防止火災(zāi)發(fā)生，為實(shí)驗(yàn)室的開放提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖8 短信溫度報(bào)警測試效果演示

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DesignofIntelligentWirelessControlPowerSocketfortheSecurityofLaboratory

TANGYingzi1,JIANGFeng2

(1. Institute of Vocational Eduction, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China;2. School of Computer and Information Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

In order to ensure the safe use of electricity in the laboratory, solve the shortcomings of the intelligent deficiencies in the traditional power outlet, and prevent the fire occurring and realize the open of the laboratory, this paper designs a kind of intelligent wireless power socket. The intelligent wireless power socket usesthe high-speed microcontroller as the main control device, it is composed by the current sensing circuit, temperature measurement circuit, power measurement circuit, and wireless communication circuit module to achieve real-time online monitoring and protection of power supply situation in the laboratory. It can also transmit wireless message with the handheld terminal in laboratory management by its internal GSM communication module. This socket can be monitored remotely and realized the safe use of electricity in the laboratory. Experimental results show that the design of wireless intelligent power socket can monitorover current, over voltage, over heat, over power, and can realize wireless on-off control. It can realize initial value setting and voice alarm also. This socket can realize the safe use of electricity in the laboratory and has certain application value.

intelligent socket; wireless control; power measurement; over current protection; safe use of electricity in the laboratory

TP 273

A

1006-7167(2017)09-0294-05

2016-12-15

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助(2016WK2023)；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目資助 (15B251)；中南林業(yè)科技大學(xué)引進(jìn)高層次人才科研啟動基金計(jì)劃項(xiàng)目資助(104-0357)

唐英姿(1968-)，女，福建安溪人，學(xué)士，講師，研究方向：電工電子技術(shù)、自動控制技術(shù)。Tel.：13507867297；E-mail：365276326@qq.com

蔣 峰(1976-)，男，湖南衡陽人，博士，副教授，研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、生物信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。Tel.：13723899085;E-mail：jf09mail@163.com