基于电力线载波的智能插座设计

刘迎澍,杨 峰,李 冰

(1.天津大学 电气与自动化工程学院,天津 300072; 2.天津市建筑设计院 天津 300074 )

基于电力线载波的智能插座设计

刘迎澍1,杨 峰1,李 冰2

(1.天津大学 电气与自动化工程学院,天津 300072; 2.天津市建筑设计院 天津 300074 )

为了组建一个家庭电能网络,以使所有的电器协调运行从而达到节能最大化的目的,提出了一种基于电力载波通信的智能插座设计方案,并完成了智能插座的软硬件设计.该智能插座以ATmega16为主控制器,集成了IT700PIM电力线载波、TM7755电能计量、继电器等模块,并与具有电力线载波通信和web server功能嵌入式家庭网关相结合,实现了各种电器的远程监测和管理.实验结果表明,该智能插座达到了设计要求,满足智能家居的需要.

电力线载波;智能插座;家庭网关;电能管理

大量电子产品及电器的使用造成了家庭和办公领域的能源消耗急剧增长,节能问题迫在眉睫.因此组建一个电能网络对用户的电器进行监测并优化各电器的运行,从而达到节约电能的目的,显然是十分必要的.构建一个家庭电能管理网络,最直接的方法是对各种电器进行改造,使其可以监控自身用电并具有通信功能[1].然而,目前住宅及办公室中的电器大多数还不具有此种功能,因此这种方法成本高昂,可行性不高.作为连接市电与用户电器的最常用中间部件,通过对插座的改造,开发一种具有监控和通信功能的智能插座,同样可以监控用户电器用电,且此种方法简便易行[2].与此同时随着数字家庭和智能楼宇的发展,电力线载波PLC(Power Line Communication)技术重新得到了重视,它不需要重新架设网络就可以进行数据传送,并且在一个家庭或一个楼宇范围内充分屏蔽了PLC的局限性,非常适用于组建家庭和办公领域用户的电能网络上[3].

文中设计的基于电力载波通信的智能插座与具有电力线载波通信和web server嵌入式家庭网关结合,通过电力线载波通信组成用户电能网络,用户可以随时以各种方式登录Internet对家电进行控制并可以随时查询家电的各种状态,并根据电能消费情况制定合理的用电方案,最大限度的减少电能支出,实现家庭的电能管理[4].

1 硬件设计

智能插座的硬件结构图如图1所示.系统以AVR单片机ATmega16作为核心控制器,负责控制和协调各模块的工作,实现各家用电器的控制和电能信息的采集.采用220 V转5 V最大功率为2.5 W的AC/DC为各模块供电;市电频率采样电路完成对电网频率的监测;以TM7755为核心的电能计量模块完成对用户电器用电量及功率的计量;电力线载波模块完成智能插座与外部的信息交互;开关驱动和继电器完成对用户电器供电和断电的控制;DS1302时钟芯片为智能插座提供精确时间.

1.1 ATmega16控制核心

ATmega16是ATMEL公司生产的8位CMOS微控制器,它采用基于增强的AVR RISC结构.与普通的8位单片机相比, ATmega16具有运算速度快,资源丰富、功耗低等特点,

图1 智能插座的硬件结构图Fig. 1 Hardware structure of intelligent electrical outlet

适用于工业实时控制、智能仪表、家用电器等多个领域. ATmega16运行的最小系统外围电路、调试开关、电力线载波模块接口及JTAG程序下载接口连接较为简单,在此不做详述.

1.2 IT700PIM电力线载波通信模块

IT700PIM是以色列Yitran公司生产的以高度集成的系统级电力线载波通信芯片IT700为核心的电力线载波通信模块. IT700采用DSCK调制方式,集成的模拟前端为其提供了不同的线路驱动能力,使数据传输更加稳定可靠.IT700芯片整合了极其强大的物理层(PHY)、高性能的数据链路层(DLL)以及稳定的网络层(Y-Net)协议.同时IT700还为协议栈配备了一个256K字节Flash的8051微控制器,另外还有24个通用I/O端口供实际应用.IT700PIM配有专用的AC/DC电源模块,内部集成信号耦合器,该电源模块的功率为2.5W,可为IT700PIM模块提供3.3 V直流电源及电力线通信接口,同时还提供5 V直流电源用于为其它功能模块供电.IT700PIM的所有输入引脚均兼容5 V电平,只需给IT700PIM输出给ATmega16单片机的串口信号电平做电平转换即可,电平转换采用4-2输入与门芯片74HCT08进行.IT700PIM模块的外围电路如图2所示.

1.3 电能计量模块

电能计量模块以电能计量专用芯片TM7755为核心,并设计相应的电流及电压采样电路.本设计中对电压采样选择电阻分压方式;对电流采样选择电流互感器方式[5].TM7755的外围电路如图3所示.CF引脚的输出与ATmega16单片机的外部中断口0接口用于对高频脉冲计数,单片机内部的定时器可用于设定脉冲计数的定时,有脉冲计数和定时时间可得相应的电能和平均功率.

1.4 其他模块电路设计

市电频率采集模块:为了维护家庭配电系统的稳定和安全,特别是大量使用分布式新能源的家庭,需要对电网进行频率的监测.本设计采用220 V正弦交流电压信号首先经二极管整流电路及分压电路转化为峰值小于5 V的半波正弦交流电压信号,其后经比较器跟随电路将信号输入至另一比较器进行电压比较,从而将频率信号转化为单片机可接收的5 V方波信号.

时钟模块:为了给智能插座提供精确的电子时钟,本设计使用精确时钟芯片DS1302,其中包含31字节的静态RAM和可编程的实时时钟,可通过串行方式与主控制器通信.设计使用供电电压为3.3 V的纽扣电池作为备用电源,保证时钟芯片在主电源断电的情况下依然可以正常工作.

存储模块:智能插座中需要存储用户电器的历史用电数据,这些数据更新频繁,为了保其在断电时不丢失,本设计采用低功耗E2PROM,AT24C02作为数据存储器.AT24C02工作电压幅度宽,在2.5～5.5 V之间;擦写速度快,小于10 ms;容量为256X8 bit,完全可以满足本设计的数据存储量;抗干扰能力强,数据不易丢失;支持I2C总线数据传输协议,只需占用主控器的两个I/O端口,就可与主控制器完成通信.

开关驱动模块:开关驱动模块用于通过弱电控制智能插座供电的通断,本设计采用固态继电器.开关驱动模块中限流电阻输入引脚与ATmega16控制核心的I/O口相连,当相连的I/O引脚输出为低电平时,智能插座供电导通;当相连的I/O引脚输出为高电平时,智能插座停止供电.

2 软件设计

2.1 主程序设计

智能插座主要实现电能计量、市电频率计量、数据的存储及通信的功能.主程序负责各功能模块的调度和管理,其流程如图 4所示.

主程序主要包括ATmega16内部看门狗定时器、I/O输入输出状态、中断相关寄存器以及串口通信的设置,IT700PIM电力线载波通信模块及系统入网的初始化;系统将日、月用电量的历史电量数据存储于E2PROM中,每次上电复位后,都要通过读取E2PROM的数据完成历史电量数据的恢复;在主循环中为各个子程序执行设定条件,当条件满足时,则程序调用相应的子程序以完成相应的功能.

图4 主程序流程图Fig. 4 Flow chart of main program

2.2 子程序设计

电能计量中断服务子程序:TM7755的CF引脚连接至控制核心ATmega16的外部中断0引脚,当外部中断0引脚收到电能脉冲时,进入电能计量中断服务子程序.进入中断服务程序后首先将电能计数加1,并根据脉冲数进行平均功率的更新和日、月用电量的积累.

市电频率计量中断服务子程序:利用ATmega16的输入捕捉功能可获得方波信号两脉冲间的时间差值,从而实现对市电频率的计算.

数据存储子程序:当数据存储标志位置位时,程序进入数据存储子程序,将日、月电量数据采用字节写方式写入

E2PROM存储器AT24C02之中.

数据发送及数据接收子程序:当数据发送标志位置位时,程序进入数据发送子程序.报文发送按照IT700报文发送命令请求格式进行,需将发送的数据处理为字节形式,以便进行报文IT700报文发送命令请求格式的填充[6].报文发送的数据包括:智能插座编号、当前时间、市电频率、平均功率、日用电量、月用电量.当数据接收标志位置位时,程序进入数据接收子程序,控制智能插座继电器的通断,从而实现智能插座对用户电器供电和断电的控制.

3 测试结果

为测试该智能插座的联网效果,搭建PLC网络通信实验平台,由4个智能插座、1个由课题组自主研发的具有电力线载波通信及web server功能的嵌入式家庭网关和PC机构成.家庭网关由IT700电力线通信模块、以太网通信模块、AVR控制器模块以及存储、电源等辅助模块构成.实验中网关的PLC模块直接与PC机通过串口相连,PC机使用Yitran公司开发的IT700PLCStudio软件,在线监视PLC网络的运行情况测试各智能插座能否成功组网及组网所需时间.为了验证PLC网络通信的抗干扰能力,加干扰后测试各节点能否成功组网及组网所需时间,如表1所示,表明智能插座的组网时间短、抗干扰能力强.

表1 节点组网时间Tab.1 Node network time

利用Dreamweaver网页设计平台完成了家庭电能管理系统登陆界面和主界面网页的设计,在家庭能量管理系统主界面中,可以查看各个智能插座的相关信息,同时还可以对用户各电器进行控制.本设计中,通过网页左上角智能插座1、智能插座2等按钮查看各个插座的能量信息;通过左下角的图片按钮控制智能插座时候对电器供电;通过右边的网络示意图显示智能插座是否正常组网.在浏览器中输入嵌入式家庭网关的IP地址后,首先进入登陆界面,输入用户名和密码后进入家庭能量管理系统主页面.从页面的效果可以看出,本设计实现了家庭能量管理系统的基本功能,主页面正确显示了相应的信息,完成了预期的目标.

4 结 论

图5 家庭能量管理系统主界面Fig. 5 Family power management outlet main interface

文中采用ATmega16处理器和IT700PIM电力线波、TM7755电能计量、继电器等模块,实现了智能插座的设计.该设计方案具有结构简单、成本低、工作方式灵活可靠、通信距离较远、抗干扰能力强等特点.实验证明:该智能插座可以通过电力线载波通信组成用户电能网络从而控制优化各个房间家用电器的运行,最终达到节约电能的目的,可以广泛的应用到智能家庭和智能楼宇系统中.

[1] NiyatoD,XIAOLu,WANG Ping.Machine-to-Machine Communications for Home Energy Management System in Smart Grid[J]. IEEE Communications Magazine, 2011,49(4): 53-59.

[2] SONG Guangming,DING Fei,ZHANG Wei-juan, et al. A wireless power outlet system for smart homes[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2011,54(4): 432-437.

[3] 孙萍,马维华.基于电力载波通信的家电控制系统设计与实现 [J].微型机与应用,2012,31(1):23-26. SUN Ping,MA Wei-hua. Design and realization of appliances control system based on power line communication[J]. Microcomputer & Its Applications,2012,31(1):23-26.

[4] 李冰.基于电力线通信的家庭能量管理系统[D].天津,天津大学大学,2011.

[5] 项粤生,高瑞霞,邬杨波,等.基于单片机的智能插座的设计与实现 [J].工业控制计算机,2012,25(9):129-131. XIANG Yue-sheng,GAO Rui-xia,WU Yang-bo,et al.Design of intelligent socket based on single chip microcomputer [J].Industrial Control Computer,2012,25(9):129-131.

[6] 刘迎澍,李冰,姜伟峰. 基于多主站模式的低压电力线通信网络层管理协议[J].电力自动化设备,2012,32(8):118-123. LIU Ying-shu, LI Bing, JIANG Wei-feng. Network-layer management protocol of low-voltage PLC based on multi-mater mode[J].Electric Power Automation Equipment,2012,32(8):118-123.

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稿件编号:201308073

刘迎澍(1971-),男,天津人,博士,副教授.研究方向:基于Web的信息与控制技术、嵌入式系统及应用、智能电网.