电能计量芯片EM773在智能家居电能监控系统中的应用

权震华 罗 亮

(西南科技大学信息工程学院 四川绵阳 621010)

电能在当今社会中扮演着举足轻重的角色，我们的生活、学习、工作都已离不开电能。然而如今的电能消耗与浪费日益严重，能源紧缺问题更加突出。智能化电能管理对电能的有效控制和节约起到了很大的积极作用，而对家庭生活用电情况进行管理是与我们息息相关的［1］。本文主要研究一种智能家居电能监控系统，实现对电能实现智能监控，它符合现实背景，在智能家居领域将会有广阔的应用前景。

1 智能家居电能监控系统结构

本系统基本结构由PC监控平台、电能监控主站与电能监控从站3个部分组成。

(1)PC监控平台。PC监控平台负责接收电能数据以及显示相关电能数据表格，也负责更改下位机的工作状态，并对电能监控从站的IAP在线升级。(2)电能监控主站。电能监控主站主要是由Cortex－M0内核的LPC11C14以及无线传输芯片NRF24L01组成，实现通过DTL645－2007多功能电表通信协议［2］接收多个从站发送数据，并通过CAN总线发送数据到上位机。(3)电能监控从站。电能监控从站主要由包含Cortex－M0内核的电能计量芯片EM773、无线传输芯片NRF24L01，E2PROM、实时时钟芯片和液晶显示模块组成。电能从站能精确测量电能参数信息，并具有分时计量功能，同时将数据通过DTL645－2007多功能电能表通信协议无线传输上传到监控主站。智能家居电能监控系统的总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图Fig.1 System block diagram

2 电能采集终端设计

电能采集终端由EM773做为主控，EM773是一款基于ARM Cortex－M0内核的低成本32位多功能电能计量IC，适用于8/16位智能仪表应用。EM773使用非常方便，片内内置计量引擎的软件驱动程序，以便使应用工程师无需关心具体的内部实现细节，只需调用API函数即可实现电能计量程序设计。EM773内带32位ARM公司最新内核Cortex－M0，执行速度快，功耗低，广泛应用于智能家电，工业控制等行业。EM773对电流电压采样后，经过一系列的公式变换，最后得出了采集的各种电压电流信息。EM773能采样出的信息包括:电压、电流、有功功率、基波无功功率、视在功率、基波视在功率、功率因素、基波功率因素、非基波视在功率、非有功功率和电流总谐波失真［1］。

2.1 电能采集终端设计

EM773通过两路电流测量通道I_HIGHGAIN和I_LOWGAIN来实现对电流的采样，电压测量则是通过VOLTAGE通道实现。

电压采集电路如图2所示。

图2 电压采集电路Fig.2 Voltage acquisition circuit

在这个电路中采用电压互感器ETW205N对电压进行一个电压隔离并且缩小电压，再通过运放调节到一个合适电压输入EM773进行电压采集。

ETW205N对电压缩小倍数通过双端接入电阻来换算，输出电压计算公式为

由于电压采集需要对电压的全波进行采集，所以，必须在运放的正向输入端加上1.65 V的偏置电压，运放输出电压为

经计算最后经过运放放大后输入到EM773的电压范围为2.451～2.697 V之间，符合0～3.3 V电压范围［1］。

电流采集电路如图3所示。电流互感器采用ETW026A对电流进行调理，后端采用10 Ω电路转换电流成电压后进行两通道运放转换后输入EM773进行电流采集。

电流互感器采用ETW026A对电流进行调理，输出电流计算公式为

其中 I额定入=5 A，I额定出=2.5 mA。由此得知，电流互感器缩小电流倍数为2000倍。

当输入电流小于1 A时，采用高增益端进行输入，输入电流经互感器和运放共同计算为:

图3 电流采集电路Fig.3 Electric current acquisition circuit

经公式计算出高增益端输入电流范围为:0.52～1.63 V，满足高增益电流采集。

当电流范围在1～16 A时，高增益端电流已经超过了3.3 V，所以在高增益端采用一个稳压三极管对高增益管脚进行稳压到3.3 V，否则会对系统采集造成影响。当电流范围在1～16 A时，经过电流互感器和低增益运放共同计算为:

经公式计算出低增益端输入电流范围为0.49～2.81 V，满足高增益电流采集［1］。

电路设计时在反馈电阻两端并接小电容起到低通滤波的作用，还能防止自激震荡的产生。

2.2 电能采集终端软件设计

(1)数据采集与处理。通过调用EM773提供的计量引擎驱动库，实现电能数据的采集，并且对电流数据进行峰谷值处理并且分类缓存。

(2)数据保存。由于数据种类多、量大，因此保存数据的时候需要对数据分类保存处理，因此，在外部存储器实现一个Excel表格存储系统对数据进行存放处理。

(3)无线通信。电能终端节点的数据通过无线上传到上位机进行处理。无线通信协议采用DTL645－2007通信协议。通过无线通信实现多节点功能。

3 电能监控主站

电能监控主站主要负责电能监控终端的数据收集，将收集到的数据通过CAN总线［3］传送到服务器上进行数据分析，电能监控主站之间通过CAN总线进行组网。每个电能监控主站都有一个独立的ID号用于上位机查找主站进行数据通信。电能监控主站和电能监控终端之间通过无线进行连接，一个电能监控主站可以挂载256个电能监控从站，并且稳定通信。

4 系统测试

当系统程序完成后，对系统进行整体测试，打开PC监控平台软件，选中电能采集终端进行数据读取分析，通过电能监控终端的实时数据进行绘制电信息柱状图。电能监控柱状图如图4所示。经测试，系统运行正常，能实现家庭用电情况的智能监控。

图4 电能监控柱状图Fig.4 Electric energy monitoring histogram

5 结论

本文介绍了一种采用EM773专用电能采集芯片设计电能监控终端的设计方法［4］。通过电能采集终端和电能计量主站结合应用，实现了用电信息的采集和负荷状况的监测，对加强用电系统管理、提高电网的可靠性和实现用电管理自动化具有积极意义。

［1］忻龙彪，王东，龙在云.智能监控电能表的设计与实现［J］.仪器仪表装置，2010，(5):16－18.

［2］中华人民共和国国家发展和改革委员会.中华人民共和国电力行业标准［M］.2007.10－35.

［3］饶运涛.现场总线CAN原理于应用技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003.23－78.

［4］欧洁云，黄皎，陆晓春.嵌入式网络化仪表监控系统的设计［J］.河海大学常州分校学报，2005，19(4):36－39.

［5］LI Ran，WU Jun-feng，WANG Hai-ying.Dept of Automation［C］.Design Method of CAN BUS Network Communication Structure for Electric Vehicle.2010.