劉迎澍,楊 峰,李 冰

(1.天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,天津 300072; 2.天津市建筑設(shè)計(jì)院 天津 300074 )

基于電力線載波的智能插座設(shè)計(jì)

劉迎澍1,楊 峰1,李 冰2

(1.天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,天津 300072; 2.天津市建筑設(shè)計(jì)院 天津 300074 )

為了組建一個(gè)家庭電能網(wǎng)絡(luò),以使所有的電器協(xié)調(diào)運(yùn)行從而達(dá)到節(jié)能最大化的目的,提出了一種基于電力載波通信的智能插座設(shè)計(jì)方案,并完成了智能插座的軟硬件設(shè)計(jì).該智能插座以ATmega16為主控制器,集成了IT700PIM電力線載波、TM7755電能計(jì)量、繼電器等模塊,并與具有電力線載波通信和web server功能嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了各種電器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該智能插座達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,滿足智能家居的需要.

電力線載波;智能插座;家庭網(wǎng)關(guān);電能管理

大量電子產(chǎn)品及電器的使用造成了家庭和辦公領(lǐng)域的能源消耗急劇增長(zhǎng),節(jié)能問題迫在眉睫.因此組建一個(gè)電能網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶的電器進(jìn)行監(jiān)測(cè)并優(yōu)化各電器的運(yùn)行,從而達(dá)到節(jié)約電能的目的,顯然是十分必要的.構(gòu)建一個(gè)家庭電能管理網(wǎng)絡(luò),最直接的方法是對(duì)各種電器進(jìn)行改造,使其可以監(jiān)控自身用電并具有通信功能[1].然而,目前住宅及辦公室中的電器大多數(shù)還不具有此種功能,因此這種方法成本高昂,可行性不高.作為連接市電與用戶電器的最常用中間部件,通過對(duì)插座的改造,開發(fā)一種具有監(jiān)控和通信功能的智能插座,同樣可以監(jiān)控用戶電器用電,且此種方法簡(jiǎn)便易行[2].與此同時(shí)隨著數(shù)字家庭和智能樓宇的發(fā)展,電力線載波PLC(Power Line Communication)技術(shù)重新得到了重視,它不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,并且在一個(gè)家庭或一個(gè)樓宇范圍內(nèi)充分屏蔽了PLC的局限性,非常適用于組建家庭和辦公領(lǐng)域用戶的電能網(wǎng)絡(luò)上[3].

文中設(shè)計(jì)的基于電力載波通信的智能插座與具有電力線載波通信和web server嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)結(jié)合,通過電力線載波通信組成用戶電能網(wǎng)絡(luò),用戶可以隨時(shí)以各種方式登錄Internet對(duì)家電進(jìn)行控制并可以隨時(shí)查詢家電的各種狀態(tài),并根據(jù)電能消費(fèi)情況制定合理的用電方案,最大限度的減少電能支出,實(shí)現(xiàn)家庭的電能管理[4].

1 硬件設(shè)計(jì)

智能插座的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.系統(tǒng)以AVR單片機(jī)ATmega16作為核心控制器,負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各模塊的工作,實(shí)現(xiàn)各家用電器的控制和電能信息的采集.采用220 V轉(zhuǎn)5 V最大功率為2.5 W的AC/DC為各模塊供電;市電頻率采樣電路完成對(duì)電網(wǎng)頻率的監(jiān)測(cè);以TM7755為核心的電能計(jì)量模塊完成對(duì)用戶電器用電量及功率的計(jì)量;電力線載波模塊完成智能插座與外部的信息交互;開關(guān)驅(qū)動(dòng)和繼電器完成對(duì)用戶電器供電和斷電的控制;DS1302時(shí)鐘芯片為智能插座提供精確時(shí)間.

1.1 ATmega16控制核心

ATmega16是ATMEL公司生產(chǎn)的8位CMOS微控制器,它采用基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu).與普通的8位單片機(jī)相比, ATmega16具有運(yùn)算速度快,資源豐富、功耗低等特點(diǎn),

圖1 智能插座的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Hardware structure of intelligent electrical outlet

適用于工業(yè)實(shí)時(shí)控制、智能儀表、家用電器等多個(gè)領(lǐng)域. ATmega16運(yùn)行的最小系統(tǒng)外圍電路、調(diào)試開關(guān)、電力線載波模塊接口及JTAG程序下載接口連接較為簡(jiǎn)單,在此不做詳述.

1.2 IT700PIM電力線載波通信模塊

IT700PIM是以色列Yitran公司生產(chǎn)的以高度集成的系統(tǒng)級(jí)電力線載波通信芯片IT700為核心的電力線載波通信模塊. IT700采用DSCK調(diào)制方式,集成的模擬前端為其提供了不同的線路驅(qū)動(dòng)能力,使數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定可靠.IT700芯片整合了極其強(qiáng)大的物理層(PHY)、高性能的數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)以及穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)層(Y-Net)協(xié)議.同時(shí)IT700還為協(xié)議棧配備了一個(gè)256K字節(jié)Flash的8051微控制器,另外還有24個(gè)通用I/O端口供實(shí)際應(yīng)用.IT700PIM配有專用的AC/DC電源模塊,內(nèi)部集成信號(hào)耦合器,該電源模塊的功率為2.5W,可為IT700PIM模塊提供3.3 V直流電源及電力線通信接口,同時(shí)還提供5 V直流電源用于為其它功能模塊供電.IT700PIM的所有輸入引腳均兼容5 V電平,只需給IT700PIM輸出給ATmega16單片機(jī)的串口信號(hào)電平做電平轉(zhuǎn)換即可,電平轉(zhuǎn)換采用4-2輸入與門芯片74HCT08進(jìn)行.IT700PIM模塊的外圍電路如圖2所示.

1.3 電能計(jì)量模塊

電能計(jì)量模塊以電能計(jì)量專用芯片TM7755為核心,并設(shè)計(jì)相應(yīng)的電流及電壓采樣電路.本設(shè)計(jì)中對(duì)電壓采樣選擇電阻分壓方式;對(duì)電流采樣選擇電流互感器方式[5].TM7755的外圍電路如圖3所示.CF引腳的輸出與ATmega16單片機(jī)的外部中斷口0接口用于對(duì)高頻脈沖計(jì)數(shù),單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器可用于設(shè)定脈沖計(jì)數(shù)的定時(shí),有脈沖計(jì)數(shù)和定時(shí)時(shí)間可得相應(yīng)的電能和平均功率.

1.4 其他模塊電路設(shè)計(jì)

市電頻率采集模塊:為了維護(hù)家庭配電系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全,特別是大量使用分布式新能源的家庭,需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行頻率的監(jiān)測(cè).本設(shè)計(jì)采用220 V正弦交流電壓信號(hào)首先經(jīng)二極管整流電路及分壓電路轉(zhuǎn)化為峰值小于5 V的半波正弦交流電壓信號(hào),其后經(jīng)比較器跟隨電路將信號(hào)輸入至另一比較器進(jìn)行電壓比較,從而將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可接收的5 V方波信號(hào).

時(shí)鐘模塊:為了給智能插座提供精確的電子時(shí)鐘,本設(shè)計(jì)使用精確時(shí)鐘芯片DS1302,其中包含31字節(jié)的靜態(tài)RAM和可編程的實(shí)時(shí)時(shí)鐘,可通過串行方式與主控制器通信.設(shè)計(jì)使用供電電壓為3.3 V的紐扣電池作為備用電源,保證時(shí)鐘芯片在主電源斷電的情況下依然可以正常工作.

存儲(chǔ)模塊:智能插座中需要存儲(chǔ)用戶電器的歷史用電數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)更新頻繁,為了保其在斷電時(shí)不丟失,本設(shè)計(jì)采用低功耗E2PROM,AT24C02作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器.AT24C02工作電壓幅度寬,在2.5～5.5 V之間;擦寫速度快,小于10 ms;容量為256X8 bit,完全可以滿足本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量;抗干擾能力強(qiáng),數(shù)據(jù)不易丟失;支持I2C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,只需占用主控器的兩個(gè)I/O端口,就可與主控制器完成通信.

開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊:開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊用于通過弱電控制智能插座供電的通斷,本設(shè)計(jì)采用固態(tài)繼電器.開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊中限流電阻輸入引腳與ATmega16控制核心的I/O口相連,當(dāng)相連的I/O引腳輸出為低電平時(shí),智能插座供電導(dǎo)通;當(dāng)相連的I/O引腳輸出為高電平時(shí),智能插座停止供電.

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

智能插座主要實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量、市電頻率計(jì)量、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及通信的功能.主程序負(fù)責(zé)各功能模塊的調(diào)度和管理,其流程如圖 4所示.

主程序主要包括ATmega16內(nèi)部看門狗定時(shí)器、I/O輸入輸出狀態(tài)、中斷相關(guān)寄存器以及串口通信的設(shè)置,IT700PIM電力線載波通信模塊及系統(tǒng)入網(wǎng)的初始化;系統(tǒng)將日、月用電量的歷史電量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于E2PROM中,每次上電復(fù)位后,都要通過讀取E2PROM的數(shù)據(jù)完成歷史電量數(shù)據(jù)的恢復(fù);在主循環(huán)中為各個(gè)子程序執(zhí)行設(shè)定條件,當(dāng)條件滿足時(shí),則程序調(diào)用相應(yīng)的子程序以完成相應(yīng)的功能.

圖4 主程序流程圖Fig. 4 Flow chart of main program

2.2 子程序設(shè)計(jì)

電能計(jì)量中斷服務(wù)子程序:TM7755的CF引腳連接至控制核心ATmega16的外部中斷0引腳,當(dāng)外部中斷0引腳收到電能脈沖時(shí),進(jìn)入電能計(jì)量中斷服務(wù)子程序.進(jìn)入中斷服務(wù)程序后首先將電能計(jì)數(shù)加1,并根據(jù)脈沖數(shù)進(jìn)行平均功率的更新和日、月用電量的積累.

市電頻率計(jì)量中斷服務(wù)子程序:利用ATmega16的輸入捕捉功能可獲得方波信號(hào)兩脈沖間的時(shí)間差值,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)市電頻率的計(jì)算.

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序:當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)志位置位時(shí),程序進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序,將日、月電量數(shù)據(jù)采用字節(jié)寫方式寫入

E2PROM存儲(chǔ)器AT24C02之中.

數(shù)據(jù)發(fā)送及數(shù)據(jù)接收子程序:當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)志位置位時(shí),程序進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送子程序.報(bào)文發(fā)送按照IT700報(bào)文發(fā)送命令請(qǐng)求格式進(jìn)行,需將發(fā)送的數(shù)據(jù)處理為字節(jié)形式,以便進(jìn)行報(bào)文IT700報(bào)文發(fā)送命令請(qǐng)求格式的填充[6].報(bào)文發(fā)送的數(shù)據(jù)包括:智能插座編號(hào)、當(dāng)前時(shí)間、市電頻率、平均功率、日用電量、月用電量.當(dāng)數(shù)據(jù)接收標(biāo)志位置位時(shí),程序進(jìn)入數(shù)據(jù)接收子程序,控制智能插座繼電器的通斷,從而實(shí)現(xiàn)智能插座對(duì)用戶電器供電和斷電的控制.

3 測(cè)試結(jié)果

為測(cè)試該智能插座的聯(lián)網(wǎng)效果,搭建PLC網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái),由4個(gè)智能插座、1個(gè)由課題組自主研發(fā)的具有電力線載波通信及web server功能的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)和PC機(jī)構(gòu)成.家庭網(wǎng)關(guān)由IT700電力線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、AVR控制器模塊以及存儲(chǔ)、電源等輔助模塊構(gòu)成.實(shí)驗(yàn)中網(wǎng)關(guān)的PLC模塊直接與PC機(jī)通過串口相連,PC機(jī)使用Yitran公司開發(fā)的IT700PLCStudio軟件,在線監(jiān)視PLC網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況測(cè)試各智能插座能否成功組網(wǎng)及組網(wǎng)所需時(shí)間.為了驗(yàn)證PLC網(wǎng)絡(luò)通信的抗干擾能力,加干擾后測(cè)試各節(jié)點(diǎn)能否成功組網(wǎng)及組網(wǎng)所需時(shí)間,如表1所示,表明智能插座的組網(wǎng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng).

表1 節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)時(shí)間Tab.1 Node network time

利用Dreamweaver網(wǎng)頁設(shè)計(jì)平臺(tái)完成了家庭電能管理系統(tǒng)登陸界面和主界面網(wǎng)頁的設(shè)計(jì),在家庭能量管理系統(tǒng)主界面中,可以查看各個(gè)智能插座的相關(guān)信息,同時(shí)還可以對(duì)用戶各電器進(jìn)行控制.本設(shè)計(jì)中,通過網(wǎng)頁左上角智能插座1、智能插座2等按鈕查看各個(gè)插座的能量信息;通過左下角的圖片按鈕控制智能插座時(shí)候?qū)﹄娖鞴╇?通過右邊的網(wǎng)絡(luò)示意圖顯示智能插座是否正常組網(wǎng).在瀏覽器中輸入嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)的IP地址后,首先進(jìn)入登陸界面,輸入用戶名和密碼后進(jìn)入家庭能量管理系統(tǒng)主頁面.從頁面的效果可以看出,本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了家庭能量管理系統(tǒng)的基本功能,主頁面正確顯示了相應(yīng)的信息,完成了預(yù)期的目標(biāo).

4 結(jié) 論

圖5 家庭能量管理系統(tǒng)主界面Fig. 5 Family power management outlet main interface

文中采用ATmega16處理器和IT700PIM電力線波、TM7755電能計(jì)量、繼電器等模塊,實(shí)現(xiàn)了智能插座的設(shè)計(jì).該設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作方式靈活可靠、通信距離較遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn).實(shí)驗(yàn)證明:該智能插座可以通過電力線載波通信組成用戶電能網(wǎng)絡(luò)從而控制優(yōu)化各個(gè)房間家用電器的運(yùn)行,最終達(dá)到節(jié)約電能的目的,可以廣泛的應(yīng)用到智能家庭和智能樓宇系統(tǒng)中.

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Design of intelligent electrical outlet based on power line carrier

LIU Ying-shu1, YANG Feng1, LI Bing2
(1. School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Tianjin Architecture Design Institute, Tianjin 300074, China)

In order to construct a family power network to coordinate their running and realize the maximum energy conservation, this paper proposes a design scheme of intelligent electrical outlet based on power line carrier and completes the design of software and hardware.With ATmega16 as the principal controller, this intelligent electrical outlet is integrated with the power line carrier IT700PIM, electric measurement chip TM7755 and relay modules and so on. It's also combined with an embedded family gateway that has the abilities of power line carrier communication and web server, realizing remote monitoring and management for all kinds of electrical appliances. Experimental results show that this intelligent electrical outlet can achieve the design requirement, meeting the requirements of intelligent household.

power line communication; intelligent electrical outlet; home gateway; power management

TN87

A

1674-6236(2014)07-0165-04

2013-08-10稿件編號(hào):201308073

劉迎澍(1971-),男,天津人,博士,副教授.研究方向:基于Web的信息與控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用、智能電網(wǎng).