智能家居应用中交流电力监控系统的设计与建立

王 威，赵 柯，刘 丹，徐思武，赖树发

（南昌航空大学 信息工程学院，江西 南昌 330063）

智能家居应用中交流电力监控系统的设计与建立

王 威，赵 柯，刘 丹，徐思武，赖树发

（南昌航空大学 信息工程学院，江西 南昌 330063）

针对智能家居应用中交流电力监控系统的系统特性即对低功耗与快速性的要求，通过使用TI公司低功耗芯片Msp430f149为主控芯片，围绕其芯片内部丰富的资源进行开发，并尝试引入研究的新型数据处理算法，设计了一个简便实用的交流电力监控系统。结合了实验室的硬件电路试验，相比于普通功率表，其在满足速度与精度要求的前提下降低了近20%的功耗。该系统主要应用在智能家居电力供应过程中，进行了电力监测与电流、电压波形还原以及安全自控等相关方面的设计与实现。

智能家居；交流采样；Msp430；电力监控

在智能家居的应用当中，机器能够为人们节约时间、提高效率以及便捷生活，所以机器的智能化程度很大的程度上决定了人类生存的舒适性和安全性。智能家居当中的电力监控系统充当了家庭电子管家的角色，它能够很大程度上判断趋势、预知危险，及时的做出应对处理。相对于人们自己来判断和处理险情，可能更快更准确。文章通过采用TI公司生产的Msp430f149单片机对家庭用电网中的电压电流进行实时监测、模拟出电流波形、精确计算出实时功率，从而对家庭电网中的用电器做到充分了解，预防警告以及消除潜在的以及突发的各种危险。为今后的智能家居产业奠定基础，随着智能家居市场推广普及的进一步落实，智能家居产业前景将一片光明。

1 系统设计

1.1 系统设计背景

随着新能源革命的时代兴起，工业用电、家庭用电的需求不断提高，实时监控、电能调节的自动化显得特别重要。而在达到工业自动化的过程中，最重要的环节是电量参数的采集。

交流采样技术在全国的电网结构中应用已经十分普遍，为加强对地区性电网结构系统交流采样测量装置的设备运行维护、检测精度校对，设备投运前验收等工作的规范化、科学化管理，确保采集数据准确、可靠。

在电量采集的过程中，如果需要提高数据的精度和速度，就需要采用直流采样。但直流采样仍有很大的局限性：无法实现实时信号的采集；变送器的精度和稳定性对测量精度有很大影响；装置复杂，维护难度大等，于是交流采样方法应运而生。

1.2 系统设计方法

经过研究讨论，采用交流采样方法进行数据采集，经过算法整合，结合电压型电流互感器和电压互感器的转换特点，作者利用Msp430单片机内部丰富的资源，搭载外围电路，驱动液晶显示屏进行电压电流和有功功率实时显示，并与设定值对比，若监测发现反常的过流过压现象，即刻声光报警并迅速切断总电源，确保安全。设计框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 系统模块

为降低功耗，我们采用了超低功耗的Msp430单片机作为主控芯片，但为确保电力监控的准确性和安全性，系统本身与被检测部分（室内电网）分开供电。该系统一共由互感检测模块、系统供电模块、采样处理模块、液晶显示模块、声光报警模块，继电器模块6大部分组成，下面分别介绍。

图1 系统设计框图Fig.1 Structure diagram of system design

2.2 互感检测模块

该部分采用了市面上常见的DL-PT02系列电压互感器和DL-CT-A型精密电流互感器，这两个互感器的特点是体积小，精度高，一致性好。电压互感器额定输入220 V,额定输出3.53 V。电流互感器的额定电流为10 A，额定输出为10 mA,能够满足该系统在实验室中的各项要求，故选用。硬件连接采用其经典接法，为避免出现负电压，放大器同相端参考电压接入1.2 V，抬高整体波形电平。电流互感经过R1和R4与OP07放大器构成反向放大器从而I/V变换给单片机采样模块进行数据采集，电压互感转换后经OP07放大器稍放大后直接接到采样模块。硬件连接电路图如图2所示。

图2 互感检测模块Fig.2 Module of mutual inductance detection

2.3 系统供电模块

该系统采用+3.3 V直流供电，故需要采用变压器进行降压，这里我们采用市面上最常见的220~9 V变压器，然后经整流桥整流，最后采用LM2940稳压芯片稳至5 V，该芯片的最大特点是低压差线性稳压器而且纹波系数很小。最后由核心板上的 ASM1117-3.3稳压至 3.3 V给芯片供电。LM2940、ASM1117连接电路如图3、图4所示。

2.4 采样处理模块

该系统的采样处理模块利用了Msp430f149单片内部自己的资源，该单片机内部集成了一个12位高精度双积分型AD转换器，它具有高速度,通用性等特点，对于该系统的转换速度的要求完全可以胜任，所以无需另外搭载采样电路，但是该单片的参考电压需要编程时选择采用外部还是内部参考电压，此处采用内部参考电压2.5 V。

图3 LM2940连接电路Fig.3 Connection circuit of LM2940

图4 ASM1 1 1 7连接图Fig.4 Connection circuit of ASM1117

2.5 其他模块

液晶显示模块采用了128×64的LCD并行连接方式，自带背光和字库，方便快捷。另外通过单片机数据存储器还能将近期时间内的采样情况记录下来，通过按键即可分屏查询历史数据，以及过压过流的情况，便于提醒用户存在风险。硬件连接图如图4所示。

声光报警模块采用了八个LDE灯和一个蜂鸣器作为概念模型，当系统将测到过压或过流时，8个LED灯循环点亮形成流水报警灯，蜂鸣器发出不同声调的鸣叫声，该设备只有当用户进行复位操作时才能停止。蜂鸣器电路如图5所示。

图5 蜂鸣器连接电路Fig.5 Connection circuit of buzzer

继电器模块与声光报警模块相连，并由声光报警模块触发，继电器断开室内电网，而该系统是靠入户电供电，仍可继续工作，提高了系统的可靠性。

3 系统软件设计

3.1 交流采样原理

交流采样技术是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值处理，从而获得被测量的测量方法。该方法的理论基础是采样定理，对交流信号用高速A/D直接采样，其采样的频率理论上要大于信号最高频率（包括其所含的全部分量）的 2倍以上，如对一个50 Hz并含有最高25次谐波的信号采样，其采样频率应达到50×25× 2=2 500 Hz以上，也就是每周波均匀采样50点以上，这样对样点通过内部运算可以完全恢复原波形，同时可得到信号的幅值、相位等信息。这种采样方式对A/D转换器和计算机设备要求相对较高，控制也较复杂。

3.2 交流计算公式

交流电压的有效值计算公式为:

经过离散化之后，以单个周期内有限个采样电压量来替换单个周期内的连续变化的电压函数值。经过整合，则可得到:

式中：△Tm——相邻两次采样的时间间隔。

um——第n-1个时间间隔的电压采样瞬时数值。

N——单个周期内的采样点个数。

同理，可以得出交流电流有效值计算公式为：

而将上面两个公式进行整合，可以发现一相有功功率的离散化公式为：

3.3 软件设计流程

该系统的软件设计过程采用分功能，分子模块的方式编程，这样不仅便于调试，更加使代码具有很好的可移植性，更是方便其他开发者阅读和理解，加强与其他开发者的交流，互相进步，体现一定的开源精神。在该系统中，软件设计的重点和难点在于算法的设计，在于对数据的采集与处理。

在主程序中主要完成对于LCD的初始化、AD采样模块的初始化、采样中断初始化、定时中断初始化等。在主程序后分为AD采样模块、数据处理模块、LCD显示模块、LED显示模块、蜂鸣器驱动模块，以及继电器模块等。

在数据处理模块中，为是处理过程简化，该系统采用特殊算法将采集的数据离散化，将高速采集到的AD值放入预设的数组当中后进行运算处理。为提高测量的稳定性，程序中进行了简单的均值滤波，通过对比，滤波后数据的误判大大减少，进而提高了系统测量的准确度。从而得出初步结论，尽管滤波后的数据实时性较之前有所滞后，但稳定性得到了显著提高。

现给出系统主程序流程图（图6）与中断服务程序流程图（图7）如下。

3.4 部分程序代码

ADC12采样子程序代码如下：

图6 主程序流程图Fig.6 The main program flow chart

图7 中断服务程序流程图Fig.7 Interrupt service routine flowchart

4 结束语

文章基于Msp430f149超低功耗单片的交流采样电力监控装置已经在实验室试验成功，市面上的同类产品也比较多，但该装置采用了特殊的数据处理算法，具有更加智能、超低功耗、处理速度快，处理后持续报警等优点，在突发事件如火灾时能够以最快速度提示危险，保障人身财产安全，该产品特别适用于大楼建筑，集团单位等人员聚集场所，以其精简的电路结构和丰富的单片机资源保障设备的可靠性，相信其会成为智能家居家族中不可或缺的一员。

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Design of AC power monitoring system on smart home applications

WANG Wei,ZHAO Ke,LIU Dan,XU Si-wu,LAI Shu-fa
（College of Information Engineeing，Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China）

To meet the requirement of high speed and low power consumption in AC power monitoring system on smart home applications,using TI's low-power chip Msp430f149 as the main chip and developing with its rich hardware resources, introducing a newly developed data-processing algorithm,the research designed a simple and practical AC power monitoring system.Combining hardware circuit experiment in laboratory to verify that it reduced power consumption by nearly 20%, compared with the ordinary power meter,when satisfying the requirement of high speed and accuracy.The system is mainly used in smart home electricity supply process,researching the design and implementation of power monitoring and current, voltage waveform reduction and safety automation and other related functions.

smart home；AC sampling；Msp430；power monitoring

TN99

A

1674－6236（2015）10-0106-03

2014-08-21 稿件编号：201408122

王 威(1992—)，男，江西吉安人。研究方向：电子信息工程及自动控制。