一种微功耗的多功能安全智能插座

南京工程学院 杨子跃 王志杰 陈 伟 黄启明

一种微功耗的多功能安全智能插座

南京工程学院 杨子跃 王志杰 陈 伟 黄启明

随着智能电网的快速发展，智能家居的发展是未来的一种趋势，而智能插座是智能家居的重要组成部分。该智能插座具有微功耗与多功能的特点，可以实现远程控制，定时开关，电量统计，LCD实时显示电器运行的状态等功能。用户可以通过定时开关、手机短信等方法控制插座的通断。在安全方面，它具有过流保护、漏电检测、短路保护等功能，多重保护也可以最大限度的确保人身安全。文中对插座的硬件设计进行了分析，主要包含主控制芯片、电源模块、信号采集和处理模块、电能计量模块、定时模块、电路保护、显示模块等模块的设计。同时给出了软件设计流程。实验结果表明，该智能插座具有很强的实用性以及可靠的安全保障，随着物联网技术的不断发展，该产品也将拥有广阔的市场前景。

智能插座；多功能；智能家居；GPRS；微功耗

1 引言

智能家居这个概念起源很早，但是具体的智能家居建筑案例直到1984年才出现。美国联合科技公司(United Techno1ogies Building System)将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州(Conneticut)哈特佛市(Hartford)的City Place Building，从此揭开了全世界争相建造智能家居的序幕[1]。目前市场上已经出现了多种不同功能的智能插座，包括漏电保护型、定时型、主路控制型、远程控制型、计量型等多种类型[2]。欧洲智能系统集成技术组织（EPoSS）认为物联网将在未来生活的多个方面包括节能应用上发挥巨大作用[3]。智能插座（Smart Socket），是在物联网概念下，和智能家居的概念伴随发展的产品。它可以遥控插座通断电流，设定插座的定时开关。用户可以根据自身情况来控制各用电设备的开关，这为居民用电提供了极大的方便，同时也减小了用电的安全隐患。智能电表是微控制器技术、专用集成电路技术、工业控制网络技术和软件等多种技术共同发展的结果。其应用领域十分广阔，涉及电力系统，工业生产控制、智能小区、网络化家电等各行各业，具有良好的发展前景[4]。智能插座内部均集成了微处理器芯片，可进行智能处理，但目前的智能插座设计以提供单一的保护、监测、或控制为主，产品功能较为单一，很难实现信息化和远程控制，还无法达到智能家居系统的应用要求[5]。而本文所开发的是一种以微功耗单片机K60FN1MO为控制核心、具有远程控制，定时开关，电量统计，LCD实时显示电器运行的状态功能的智能插座。该插座能够接收远程的遥控信息，人们可以在任何地方通过手机消息的方式控制插座的开断，从而控制家中的电器的工作。插座可以定时开关，以满足家中大功率电器设备尽可能在用电低谷的夜晚工作。英国牛津大学环境学院在2006年的一份报告中阐述了实时监控各个家用电器耗电量的意义和必要性[6]。谷歌的研究显示：如果家庭用户能够及时了解家用电器的详细耗电信息，就会使自己每月的电费开支下降5%～15%，如果一个一般家庭每月节省这么多的开支，全美国会减少相当于800万辆行驶中的汽车的碳排放量[7]。另外，智能插座能够对用电设备智能检测，能够实现谐波测量，过电压，电流保护，浪涌保护，输出功率可调，电量计算等功能，并可以在显示器中实时显示电器运行时的电压电流等情况。

2 技术概述

本方案以单片机为核心，通过对其进行软件编程，实现该单片机对其外围电路的适时控制，并提供给外围电路各种所需的信号,大大简化了外围电路的设计难度，同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本，并且由于是采用软件编程技术，所以其移植性能好，在设计电路时可以将其他更多的功能设计进去，而我们在设计电路板时就可以根据自己的设计目的焊接元件[8]。智能插座结构图见图1。插座主控制器选用飞思卡尔K60微功耗单片机，智能插座的硬件系统由信号采集和处理模块、单片机系统模块、电源模块、电能计量模块、定时模块、保护模块、LCD显示模块等组成。当用电器接入插座后，电能计量模块内的计量芯片ADE7858可以计算出用电量。当用户希望能够远程控制接在智能插座上的用电器的开或断时，便可以使用手机GPRS流量发送信息，信号接收工作由插座上的GSM模块完成。保护模块拥有双重保护功能，当负载过大、发生漏电以及触电事故时可以及时切断电源。各模块测得的电压、电流、有功功率、用电量等数据都会显示出来，方便用户了解电器工作情况。电力电子技术是计算技术在电力系统中的具体实现，随着电力系统计算机化和信息化的水平不断提高，电力电子技术在电力系统中的作用也越发明显。简单的说，电力电子技术就是通过计算机技术将强电和弱电进行有效的组合，它是计算机应用技术、电子技术、电路技术还有电力控制技术为一体的服务性的技术[9]。

图1 智能插座结构图

图2 软件流程图

3.插座硬件设计

3.1 主控制芯片

本智能插座使用的主控制芯片为Freescale公司Kinetis K60系列MCU，其原理图如图2所示。该芯片的工作电压为1.71-3.6V,闪存的写电压为1.71-3.6V,采用ARM Cortex-M4内核，其性能可达到1.25Dhrystone MIPS/MHz。该系列提供高达180MHz的性能和IEEE 1588以太网MAC，用于工业自动化环境中的精确的、实时的时间控制，具有丰富的电路、通信、定时器和控制外围电路。

3.1.1 通讯功能

（1）带有IEEE1588协议的以太网MAC层（ENET）：硬件支持IEEE1588的10/100MB/s以太网MAC(MII和RMII)。

（2）I2C：允许许多设备之间的通信。

在K60以上两个功能的支持下，可以完成通信模块的所需要的GPRS的信息交流和以太网信息上传。

3.1.2 计量功能

（1）Flash存储控制器：通过多种外设主机和内核，管理程序进行RAM。

（2）ADC和PGA：内部集成可编程放大增益滤波器的16位高精度ADC。

结合计量模块的ADE7878芯片，便可以进行电压、电流、电量的数值的计量。

3.2 电源模块

该模块为智能插座提供电源，分为线路电源与电池。线路电源为主，电池为辅。当线路由于过载或漏电而断开时，则由电池供电。该模块主要为主控制器、信号采集和处理模块提供电源。

3.3 信号采集和处理模块

信号的采集与处理起着远程控制的作用。用户可以通过手机的GPRS流量来实现远程控制。GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的。GPRS工作时，通过路由管理来进行寻址和建立数据连接，而GPRS的路由管理表现在以下三方面：1）移动终端发送数据的路由建立；2）移动终端接收数据的路由建立；3）移动终端处于漫游时数据路由的建立。由于现在智能手机的普及，选择GPRS作为信号传输工具也是十分方便的。智能插座接收到的信号由RS-232传输到主控制器中。物联网是以感知为核心的物物互联，从技术角度又称为传感网。物联网将成为继计算机、互联网和通信网络之后的信息产业第三次浪潮[10]。物联网概念的提出被视为信息通信技术发展的重要里程碑[11]。

3.4 电能计量模块

智能电表是高级量测体系重要的组成部分。使用户获取带有时标的的多种计量值，如电量、电流、电压、功率等；它不仅可以进行电能数据采集、计量和传输，还具有双向通讯功能。据此用户通过获取电价和电费信息，利用分布使电源参与削谷填峰，从而让用户从被动的消费者转变为电价的积极参与者。计量型智能插座，这种插座具有单相多功能电表的功能，可以计量插座上用电设备的电能值、电压、电流、功率等用电信息[12]。电能计量功能由ADE7858来实现。ADE7858是一款高精度、三相电能测量IC，采用串行接口，并提供三路灵活的脉冲输出。该器件内置二阶Σ-Δ型ADC、数字积分器、基准电压源电路以及所有必需的信号处理电路，可执行总（基波和谐波）有功、无功和视在功率测量以及有效值计算。一个固定功能数字信号处理器(DSP)负责执行这种信号处理。利用串行接口SPI，可以与ADE7858通信。电能测量时，先由电流互感器与电压互感器分别测出通过用电器的电流与用电器所带电压，再由ADE7858计算出有功功率、用电量等。导致电压偏差的原因主 要是无功功率，电网中无功功率的变化及电力系统运 行方式的改变，使用电设备上的电压偏离了其标称电 压。当出现电压偏差时，将造成线损率和供电成本增加的危害，影响设备正常运转，降低使用寿命[13]。

3.5 定时模块

当用户设定好时间后，GPS系统时间是由每颗卫星上原子钟的铯和铷原子频标保持的。这些星钟一般来讲精确到世界协调时（UTC）的几纳秒以内，UTC是由海军观象台的“主钟”保持的，每台主钟的稳定性为若干个10-13秒。

3.6 电路保护

通过漏电电流互感线圈，实时监测漏电电流的存在，一旦电器设备有漏电情况，漏电保护器将异常的电流或电压信号经过AD转换将异常信息传给单片机，从而驱动执行元件蜂鸣器动作。

保护用电流互感器和继电装置配合，在线路发生短路或过载等故障时，向继电装置提供信号切断故障电路，以保证用电的安全性。

电流互感器铁芯通过被测电流，电流在铁芯内产生磁通，使二次线圈感应出相应的二次电流。

正常情况下，用电设备是平衡的负荷，一次电流的矢量和为零。二次线圈无电流输出，脱扣器不动作，漏电开关正常运行。当设备发生漏电或人身触电时，则故障电流使电源中性点偏移。由于对地出现漏电电流存在，流过互感器的矢量和不再为零，则其二次侧有剩余电流流过，电磁脱扣器中有电流流过，当电流达到给定值时，脱扣器动作，漏电开关动作，切断故障电路，从而起到保护作用。

3.7 显示模块

LCD显示屏用处广泛且发展迅速，是与它本身所具有的优点分不开的。优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定。所以本文选用LCD模块显示用电设备用电量情况以及实时显示用电设备的运行状态。通过主芯片的程序控制，使它与其他模块联系在一起，实时的显示其他模块的工作状态，以及实时的用电量。在制作过程中，LCD显示屏相比于其他的显示模块，相对简单，利于生产。

4 软件流程介绍

启动MQX系统，在启动系统之后，需要初始化定时器、中断、启动显示。在一切初始化完成之后，系统分为三个进行工作，依照从左向右的顺序进行介绍。

在初始化定时器、中断、启动显示之后，在进行计量之前需要初始化ADE7878芯片，此时检测定时器是否溢出，如果溢出便可以读取电压、电流、电量、功率因数的数值。读取数值之后便可以在液晶屏上显示实时的信息、负荷状态。在GPRS远程控制功能的实现中，首先需要初始化GPRS开串口中断，当接收到信号的时候做出规约解析，如果是需要信息反馈则从ADE7878芯片读取的数值中进行整合发送给用户。另一方面便是判断是否是对负荷的控制，如是则会将信号以以太网的方式传输信息给电力系统的后台控制。最左边的便是对以太网的启动与使用。

5 实验结果及分析

5.1 通讯系统检测

分不同的时间段发射数据包给通讯系统，检测接受数据包的情况如下表格和折线图：

时间 9 10 11 12 13 14 15 16 17 100 100 100 100 100 100 100 100 100发包数98 99 97 100 97 99 100 99 99收包数0.98 0.99 0.97 1 0.97 0.99 1 0.99 0.99接收率

5.2 电表性能准确性检测

6.结语

本文介绍了智能插座硬件原理和软件控制流程。本插座是基于飞思科尔K60主控制芯片，在保证系统稳定性的基础上，充分利用了各微控制器的主要特点。采用ADE7858计量芯片，使用GPRS进行远程控制，使插座能够达到准确的反馈实时负载信息，并远程对负载的通断进行调控，从而达到安全用电的效果。本插座使用LCD显示系统，可以直观的得到实时信息。在负荷断开的同时，本插座可以通过以太网，将负荷断开情况反应给电力系统后台。

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[13]GB/T12325-2008,电能质量供电电压允许偏差[S].