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

彭桂力，潘雷，王秀麗，李維

隨著近年智能電網(wǎng)與階梯電價理念的提出，科學(xué)用電已經(jīng)越來越受到居民的重視。電力系統(tǒng)中實時監(jiān)控、采集電力參數(shù)是實現(xiàn)智能家居的重要環(huán)節(jié)，快速準確地采集用電系統(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，可對用戶用電量進行實時監(jiān)控，同時，利用wifi技術(shù)傳入網(wǎng)絡(luò)平臺上，該平臺上可以將所有電器的耗電數(shù)據(jù)收集到服務(wù)器中，進行監(jiān)控。而后，通過wifi無線網(wǎng)絡(luò)控制電器，從而達到節(jié)省家庭電費的效果，同時，網(wǎng)絡(luò)平臺也可以將數(shù)據(jù)傳給電力系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)進行分析，得到各個用戶家庭用電情況，采取相應(yīng)措施，最終達到節(jié)能效果。

實時監(jiān)控；電量檢測；節(jié)能；無線控制

0 引言

能源問題是制約當今國民經(jīng)濟的核心問題，其中電力能源是重中之重，如何進行電力的節(jié)能問題是當今研究的核心。智能電網(wǎng)理念和國家階梯電價的提出，讓人們更加認識到電力節(jié)能的重要性，基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能家居電能計量和監(jiān)控方案已逐步形成，這意味著電力節(jié)能已經(jīng)向個人家居邁進。2012年6月，天津開始實行了階梯電價，電價將隨著用戶均消費電量的增長，成階梯型逐級遞增，用戶用電量越多價格越高?；诠?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，如何通過某種方式來節(jié)省用電?；谶@種考慮，本文提出一種以用戶和用電單位為服務(wù)對象的，以電量采集和控制為核心的智能家居電量采集裝置，這個裝置可以實時地監(jiān)控家中的各個用電器，同時，記錄每一個用電器的用電量，進行總結(jié)分析，可以將不必要的用電器進行關(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)控裝置是實現(xiàn)對家用電器電量的進行測量、統(tǒng)計、記錄為一體，同時，可以通過wifi網(wǎng)絡(luò)對用電器遠程控制。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采集該用電器的用電信息，實時傳送到系統(tǒng)終端上。當發(fā)現(xiàn)用電異常時，該裝置可以自動斷電起到保護用電器的作用，當發(fā)現(xiàn)該用電器一直處于開啟狀態(tài)并沒有人利用時，也可以通過遠程手動進行關(guān)閉。

本設(shè)計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A/D進行轉(zhuǎn)換。然后將數(shù)字量輸入SOC系統(tǒng)進行處理，計算出電壓、電流、功率等數(shù)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)總體設(shè)計主要包括控制中心、采集模塊、無線傳輸模快等主要單元。以STC90C516RD機為主要控制芯片，該裝置啟動后，實時監(jiān)測多個家用電器的耗電量，并能通過無線傳輸將該網(wǎng)絡(luò)中所有用電器的耗電數(shù)據(jù)上傳到終端中，存儲在智能家居電量監(jiān)測終端上，通過終端對家用電器的數(shù)據(jù)進行顯示與分析。如果出現(xiàn)過電流和失壓的現(xiàn)象，該裝置內(nèi)部設(shè)計的蜂鳴器將會持續(xù)響30s以示提醒，并通過控制電路切斷電源，以保護用電器，并且該報警事件可通過網(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)，但是并沒有人操作，這時通過無線網(wǎng)絡(luò)對用電器進行關(guān)閉，從而達到節(jié)能的目的。

該裝置能準確地測量家用電器的電壓等參數(shù)，并能實時監(jiān)控家用電器的狀態(tài)，安裝和使用方便，市場前景比較廣闊，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)，真正做到實時監(jiān)控用電器，讓用戶對自己的用電量有一定的認識，合理的分配用電器的開關(guān)狀態(tài)，達到保護和節(jié)能的目的，同時還可以利用現(xiàn)在的遠程控制技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控用電設(shè)備的運行，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

本系統(tǒng)終端的電量采集單元可以實時地采集用電設(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量芯片CS5460A，該芯片精度高且硬件設(shè)計簡單，使用方便。通過電壓互感器DL-PT202D和電流互感器DL-CT1005A分別采集到電壓、電流信號，并通過流/壓變換電路轉(zhuǎn)換信號，輸入電量檢測芯片CS5460A模擬信號輸入端，芯片就可以由內(nèi)部的電能自動計算函數(shù)計算出該用電器的瞬時電流、瞬時電壓、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)，然后在單片機中進行存儲和分析，如果發(fā)現(xiàn)參數(shù)不對，出現(xiàn)失壓和過流現(xiàn)象，就可以利用單片機進行切斷電源的控制，從而達到保護電路作用，也可以將數(shù)據(jù)實時存儲在單片機的Flash中。

將采集到的數(shù)據(jù)和信息通過WIFI模塊進行無線發(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通過雙向串行接口與電量檢測芯片相連，讀取測量的各種電參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)部的通信電路將測量結(jié)果向智能控制終端進行發(fā)送。

智能控制終端負責監(jiān)控出本裝置檢測出的各項實施電量信息并控制用電設(shè)備開關(guān)的通斷，這項控制命令由WIFI微控制器發(fā)出，傳達到單片機上，然后利用單片機對控制單元進行下達命令，利用繼電器的通斷，來完成通斷電以達到控制的功能。

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精準度的重要環(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、電量檢測專用芯片CS5460A等構(gòu)成。

首先，該裝置通過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、專用于電力測量，是電流型電壓互感器，用于測量交流電壓信號。輸入額定電流為2mA，額定輸出電流為2mA。同時，采用的電流互感器DL-CT1005A也是專用于電力測量和保護，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算引擎的CMOS單片功率測量芯片，它包含了兩個ΔΣ 調(diào)制器、兩個增益可編程放大器、兩個高速濾波器，具有有效值/功率計算和系統(tǒng)校準功能，以提供瞬時電流/電壓/功率數(shù)據(jù)采樣及IRMS 、VRMS、有功能量的周期計算結(jié)果。該芯片價格低廉，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：自動控制理論,電工電子儀器儀表的開發(fā)和研制，天津，300384

潘 雷（1981-），男，遼寧沈陽，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