權(quán)震華 羅 亮
(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 四川綿陽 621010)
電能在當(dāng)今社會中扮演著舉足輕重的角色,我們的生活、學(xué)習(xí)、工作都已離不開電能。然而如今的電能消耗與浪費(fèi)日益嚴(yán)重,能源緊缺問題更加突出。智能化電能管理對電能的有效控制和節(jié)約起到了很大的積極作用,而對家庭生活用電情況進(jìn)行管理是與我們息息相關(guān)的[1]。本文主要研究一種智能家居電能監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對電能實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控,它符合現(xiàn)實(shí)背景,在智能家居領(lǐng)域?qū)袕V闊的應(yīng)用前景。
本系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)由PC監(jiān)控平臺、電能監(jiān)控主站與電能監(jiān)控從站3個(gè)部分組成。
(1)PC監(jiān)控平臺。PC監(jiān)控平臺負(fù)責(zé)接收電能數(shù)據(jù)以及顯示相關(guān)電能數(shù)據(jù)表格,也負(fù)責(zé)更改下位機(jī)的工作狀態(tài),并對電能監(jiān)控從站的IAP在線升級。(2)電能監(jiān)控主站。電能監(jiān)控主站主要是由Cortex-M0內(nèi)核的LPC11C14以及無線傳輸芯片NRF24L01組成,實(shí)現(xiàn)通過DTL645-2007多功能電表通信協(xié)議[2]接收多個(gè)從站發(fā)送數(shù)據(jù),并通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)。(3)電能監(jiān)控從站。電能監(jiān)控從站主要由包含Cortex-M0內(nèi)核的電能計(jì)量芯片EM773、無線傳輸芯片NRF24L01,E2PROM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片和液晶顯示模塊組成。電能從站能精確測量電能參數(shù)信息,并具有分時(shí)計(jì)量功能,同時(shí)將數(shù)據(jù)通過DTL645-2007多功能電能表通信協(xié)議無線傳輸上傳到監(jiān)控主站。智能家居電能監(jiān)控系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram
電能采集終端由EM773做為主控,EM773是一款基于ARM Cortex-M0內(nèi)核的低成本32位多功能電能計(jì)量IC,適用于8/16位智能儀表應(yīng)用。EM773使用非常方便,片內(nèi)內(nèi)置計(jì)量引擎的軟件驅(qū)動程序,以便使應(yīng)用工程師無需關(guān)心具體的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),只需調(diào)用API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量程序設(shè)計(jì)。EM773內(nèi)帶32位ARM公司最新內(nèi)核Cortex-M0,執(zhí)行速度快,功耗低,廣泛應(yīng)用于智能家電,工業(yè)控制等行業(yè)。EM773對電流電壓采樣后,經(jīng)過一系列的公式變換,最后得出了采集的各種電壓電流信息。EM773能采樣出的信息包括:電壓、電流、有功功率、基波無功功率、視在功率、基波視在功率、功率因素、基波功率因素、非基波視在功率、非有功功率和電流總諧波失真[1]。
EM773通過兩路電流測量通道I_HIGHGAIN和I_LOWGAIN來實(shí)現(xiàn)對電流的采樣,電壓測量則是通過VOLTAGE通道實(shí)現(xiàn)。
電壓采集電路如圖2所示。
圖2 電壓采集電路Fig.2 Voltage acquisition circuit
在這個(gè)電路中采用電壓互感器ETW205N對電壓進(jìn)行一個(gè)電壓隔離并且縮小電壓,再通過運(yùn)放調(diào)節(jié)到一個(gè)合適電壓輸入EM773進(jìn)行電壓采集。
ETW205N對電壓縮小倍數(shù)通過雙端接入電阻來換算,輸出電壓計(jì)算公式為
由于電壓采集需要對電壓的全波進(jìn)行采集,所以,必須在運(yùn)放的正向輸入端加上1.65 V的偏置電壓,運(yùn)放輸出電壓為
經(jīng)計(jì)算最后經(jīng)過運(yùn)放放大后輸入到EM773的電壓范圍為2.451~2.697 V之間,符合0~3.3 V電壓范圍[1]。
電流采集電路如圖3所示。電流互感器采用ETW026A對電流進(jìn)行調(diào)理,后端采用10 Ω電路轉(zhuǎn)換電流成電壓后進(jìn)行兩通道運(yùn)放轉(zhuǎn)換后輸入EM773進(jìn)行電流采集。
電流互感器采用ETW026A對電流進(jìn)行調(diào)理,輸出電流計(jì)算公式為
其中 I額定入=5 A,I額定出=2.5 mA。由此得知,電流互感器縮小電流倍數(shù)為2000倍。
當(dāng)輸入電流小于1 A時(shí),采用高增益端進(jìn)行輸入,輸入電流經(jīng)互感器和運(yùn)放共同計(jì)算為:
圖3 電流采集電路Fig.3 Electric current acquisition circuit
經(jīng)公式計(jì)算出高增益端輸入電流范圍為:0.52~1.63 V,滿足高增益電流采集。
當(dāng)電流范圍在1~16 A時(shí),高增益端電流已經(jīng)超過了3.3 V,所以在高增益端采用一個(gè)穩(wěn)壓三極管對高增益管腳進(jìn)行穩(wěn)壓到3.3 V,否則會對系統(tǒng)采集造成影響。當(dāng)電流范圍在1~16 A時(shí),經(jīng)過電流互感器和低增益運(yùn)放共同計(jì)算為:
經(jīng)公式計(jì)算出低增益端輸入電流范圍為0.49~2.81 V,滿足高增益電流采集[1]。
電路設(shè)計(jì)時(shí)在反饋電阻兩端并接小電容起到低通濾波的作用,還能防止自激震蕩的產(chǎn)生。
(1)數(shù)據(jù)采集與處理。通過調(diào)用EM773提供的計(jì)量引擎驅(qū)動庫,實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的采集,并且對電流數(shù)據(jù)進(jìn)行峰谷值處理并且分類緩存。
(2)數(shù)據(jù)保存。由于數(shù)據(jù)種類多、量大,因此保存數(shù)據(jù)的時(shí)候需要對數(shù)據(jù)分類保存處理,因此,在外部存儲器實(shí)現(xiàn)一個(gè)Excel表格存儲系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存放處理。
(3)無線通信。電能終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過無線上傳到上位機(jī)進(jìn)行處理。無線通信協(xié)議采用DTL645-2007通信協(xié)議。通過無線通信實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)功能。
電能監(jiān)控主站主要負(fù)責(zé)電能監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)收集,將收集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線[3]傳送到服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,電能監(jiān)控主站之間通過CAN總線進(jìn)行組網(wǎng)。每個(gè)電能監(jiān)控主站都有一個(gè)獨(dú)立的ID號用于上位機(jī)查找主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。電能監(jiān)控主站和電能監(jiān)控終端之間通過無線進(jìn)行連接,一個(gè)電能監(jiān)控主站可以掛載256個(gè)電能監(jiān)控從站,并且穩(wěn)定通信。
當(dāng)系統(tǒng)程序完成后,對系統(tǒng)進(jìn)行整體測試,打開PC監(jiān)控平臺軟件,選中電能采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取分析,通過電能監(jiān)控終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制電信息柱狀圖。電能監(jiān)控柱狀圖如圖4所示。經(jīng)測試,系統(tǒng)運(yùn)行正常,能實(shí)現(xiàn)家庭用電情況的智能監(jiān)控。
圖4 電能監(jiān)控柱狀圖Fig.4 Electric energy monitoring histogram
本文介紹了一種采用EM773專用電能采集芯片設(shè)計(jì)電能監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)方法[4]。通過電能采集終端和電能計(jì)量主站結(jié)合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了用電信息的采集和負(fù)荷狀況的監(jiān)測,對加強(qiáng)用電系統(tǒng)管理、提高電網(wǎng)的可靠性和實(shí)現(xiàn)用電管理自動化具有積極意義。
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