CN102570199A

CN102570199A - 一种智能用电插座

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Publication number: CN102570199A
Application number: CN2012100184449A
Authority: CN
Inventors: 雷为民; 潘贤民; 刘少伟; 庄林林; 杨飏
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2012-07-11

Abstract

一种智能用电插座，包括电源转换模块、可控开关模块、电量测量模块、处理器模块和网络通信模块，本发明支持电量测量、自动开关控制和实时通信三大功能，它具有体积小、功耗低、成本低等优点，从电量测量模块能够获得实时电压、电流有效值和瞬时值、瞬时和有功功率值，而且在校准后其测量结果精度达1％；自动开关控制模块采用大功率电磁继电器，支持高达4000W的负载接入；由于采用集成Zigbee RF收发机的处理器，容易组成快速、廉价的Zigbee网络。不需要为通信模块增加额外的布线。

Description

一种智能用电插座

技术领域

本发明涉及智能电网、嵌入式技术领域，特别涉及一种智能用电插座。

背景技术

目前用电插座的功能单一，普遍使用的用电插座只能提供二线与三线插孔来充当用电器与电网的电气连接接口，除此之外没有任何其它的功能；更进一步，有的用电插座内部虽然集成电量测量功能模块并且提供LCD液晶显示屏用来显示本地用电数据。但是它不能将本地数据上传至类似PC机等设备，因而无法将用电数据进一步处理、统计等一系列处理。进而用电插座也不能响应用户命令，没有方便的类似人机交互的平台。一切与用电插座相关的基本操作都必须要求用户的手动操作才能完成，灵活性差。智能用电插座基本功能的实现依赖各功能部分间的结构设计，根据对智能用电插座的需求，目前尚无实现电能测量、自动开关控制和实时通信功能的插座设计方案。

发明内容

针对现有装置存在的不足，本发明提供一种智能用电插座。本发明的技术方案是这样实现的：一种智能用电插座，包括电源转换模块、可控开关模块、电量测量模块、处理器模块和网络通信模块；其中，所述的电源转换模块，用于产生不同幅值的直流电压，为电量测量模块、可控开关模块和处理器模块提供所需的直流电压；所述的电量测量模块用于测量用电设备的电压、电流、功率和电能；所述的可控开关模块用于根据处理器模块的指令控制智能用电插座的通断；所述的网络通信模块用于智能用电插座与智能用电插座之间，智能用电插座和Internet网络之间的信息交互；

其连接关系为：所述处理器模块通过外部接口与电量测量模块连接，可控开关模块的输入端连接处理器模块的输出端，网络通信模块的信号收发端连接处理器模块的天线信号收发端；

所述的电源转换模块、可控开关模块、电量测量模块、处理器模块和网络通信模块均集成在一个电路板上；

所述的电源转换模块直接连接火线和零线，与可控开关和用电设备线路独立；

所述的电量测量模块与处理器模块的输出电平值应在相同取值范围内，若不同，则在两者之间增加时钟电平转换模块来调整电平信号，实现电量测量模块与处理器模块的通信。

本发明优点：本发明支持电量测量、自动开关控制和通信三大功能。它具有体积小、功耗低、成本低等优点。从电量测量模块能够获得实时电压、电流有效值和瞬时值、瞬时和有功功率值，而且在校准后其测量结果精度达1％；自动开关控制模块采用大功率电磁继电器，支持高达4000W的负载接入；由于采用集成Zigbee RF收发机的处理器，容易组成快速、廉价的Zigbee网络。不需要为通信模块增加额外的布线。

附图说明

图1为本发明智能用电插座结构框图；

图2为本发明智能用电插座电源转换模块电路原理图；

图3为本发明智能用电插座可控开关模块电路原理图；

图4为本发明智能用电插座电量测量模块电路原理图；

图5为本发明智能用电插座处理器模块电路原理图；

图6为本发明智能用电插座网络通信模块的电路原理图；

图7为本发明智能用电插座时钟电平转换模块电路原理图；

图8为本发明智能用电插座内部接线示意图；

图9为本发明智能用电插座处理器芯片与电量测量芯片间通信流程图；

图10为本发明智能用电插座的智能用电系统图；

其中，1、电压采集电路 2、电流采集电路 3、电量测量芯片 4、处理器芯片 5、复位电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例的一种智能用电插座，其电路原理图如图1所示，包括电源转换模块、可控开关模块、电量测量模块、处理器模块和网络通信模块；所述的电源转换模块直接连接火线和零线，与可控开关和用电设备线路独立，不受可控开关状态影响。本实施例中各模块型号如下：

可控开关模块采用电磁继电器Q90F，电量测量模块采用CS5460芯片，处理器模块采用集成MCU和ZigBee RF功能CC2530芯片，网络通信模块包括集成巴伦2450BM15A0002和倒F型PCB天线；

图2为电源转换模块的电路原理图，其中，电源转换模块中的三端稳压元件U5型号为AMS1117-3.3。根据本实施例所采用的芯片型号，电源转换模块提供模拟直流电源和数字直流电源两部分，其中，模拟直流电源大小为+5V±10％和+3.4V，数字直流电源大小为+5V±10％和+3.3V。电网220V交流火线(LIN端)接压敏电阻10D471K的一端，压敏电阻10D471K的另一端与零线(NOUT端)相连接。LIN端另外串接0.5A保险丝U20后接入开关电源U6的输入端1脚，开关电源U6的另一输入端2脚与电网NOUT端连接。在开关电源U6的输出端4脚得到较为稳定的+5V直流电压接整流滤波电容C4到地，开关电源U6的输出端3脚直接接地。模拟+5V经过电阻R7和R8分压得到3.4V直流电压(网络标号PF)为CS5460提供掉电参考电压，模拟+5V经过电阻R9为CS5460提供数字直流电压。另外，开关电源U6的输出端4脚输出经过三端稳压器U5的1脚，由三端稳压器U5的3脚得到稳定的+3.3V为CC2530提供稳定的直流电压，三端稳压器U5的2脚接地。

图3为可控开关模块的电路原理图，由开关和开关驱动电路组成，所述的开关采用电磁继电器Q90F，所述的开关驱动电路由三极管S8050及其外围元件构成，所述的外围元件中的二极管D4的型号为Diode 1N4148。R23为三极管Q3的基极偏置电阻，R24为集电极电阻，二极管D4起保护作用，防止由于电磁继电器U10线圈电流突变产生的自感电压损坏其它元件，网络标号P1_O/SWITCH为处理器模块的开关控制信号输入端：当P1_0/SWITCH＝0时，即开关控制端为低电平(约0V)时，三极管Q3发射结处于零偏置状态，此时三极管Q3处于截止状态，即电磁继电器U10线圈中无电流，I_C＝0A，因此电磁继电器U10的弹簧片处于其第5脚，继而LIN端与LOUT1端断开，智能用电插座处于断开状态；当P1_0/SWITCH＝1，开关控制端为高电平(约+3.3V)，三极管Q3导通，电磁继电器U10的线圈电流满足如下公式：

I_C＝(VA+-V_ce)/(R24+R_Q90F)

式中，V_ce为三极管Q3的集电极与发射极之间的导通压降，R_Q90F为电磁继电器U10的线圈直流电阻，电磁继电器U10的吸合电流约为155MA，所以必须选取合适的电阻R24和R23，本例中，R23＝1K，R24＝5.1Ω，此时产生的集电极电流约为185MA，因而LIN端与LOUT1端处于接通状态，即智能用电插座处于接通状态。

图4为电量测量模块电路原理图，由电流采集电路1、电压采集电路2和电量测量芯片CS5460及其外围元件3组成。电压采集电路2采用电阻分压式方法获得采样电压，即由电阻R1＝2M与电位器R2＝10K分压得到采样电压；电流采集电路1采用穿芯式电流互感器U9获得采样电流，本实施例中穿芯式电流互感器U9的类型由实际最大用电负载决定，本实施例中电流采集比(即初级电流和次级电流的比值)满足：5A/5MA。从可控开关模块的电磁继电器U10的输出点LOUT1端引出导线穿过穿芯式电流互感器中心孔，导线另一端接入LOUT2端，所述的导线的直径由实际最大用电负载决定。穿芯式电流互感器将在其次级引脚间以1000∶1比例系数感应出次级电流。次级电流经由电位器VR2得到与之成正比例的电压信号，且VR2＝200欧。R1、R2、R12、R13为输入VIN-、IIN+的电流限制电阻，起到输入保护的作用，防止CS5460在实际测量环境中损坏。C1、C2、C3、C27、C28、C29为输入滤波电容，该滤波器可以去除所需频率外很宽频带的噪声，同时也是一个防混淆滤波器，防止电能测量芯片CS5460的A/D转换器接收高于采样频率一半(奈奎斯特频率)的输入信号。经过采集、限流、滤波后的信号通过VIN+、VIN-、IIN+、IIN-分别与电能测量芯片CS5460的9、10、16、15脚进入电量测量芯片CS5460进行处理和计算，得到有效电压、有效电流、瞬时功率、电能等结果，并且以串行总线SPI方式为处理器模块CC2530提供计算结果。L2、C80与L3、C81分别为CS5460模拟与数字直流电源EMI噪声抑制电路，C7、C59、C60、C70为电源去耦电容，C25、C26为4MHZ晶振Y3的负载电容。

LED指示灯D2为智能用电插座电源指示灯，电阻R42的一端连接电量测量模块CS5460的VA+端，电阻R42的另一端连接电源指示LED灯D2的正极，电源指示LED灯D2为普通发光二极管，电源指示LED灯D2的负极接地，本实施例中R42的大小满足如下公式：

(VA+-V_LED)/I_MAX≤R42≤(VA+-V_LED)/I_LED

式中，V_LED为发光二极管D2的导通压降，I_LED为发光二极管D2的正常工作电流，I_MAX为发光二极管D2的最大工作电流。本实施例中，R42＝510Ω。

图5为处理器模块的电路原理图。处理器模块采用的处理器芯片型号为CC2530，处理器芯片上连接复位电路，支持上电与手动两种复位功能，Y1＝32MHZ为处理器芯片的时钟晶振，C10、C11为其负载电容；Y4＝32.768KHZ为处理器芯片的睡眠晶振，C37、C38为其负载电容。C51～C57为处理器芯片电源引脚去耦电容，L1与C58构成处理器芯片电源的EMI噪声抑制电路。C36、R15为处理器芯片CC2530外围电路的固定接法，具体可参见CS5460芯片手册(datasheet)。处理器芯片的41脚为处理器芯片CC2530底部接地点，为保证处理器正常工作，其底部必须充分接地，处理器芯片CC2530集成了MCU和ZigBee RF收发机，仅需少量的外置元件，即可构建快速、廉价的ZigBee网络。

RS232模块由SIP4构成，主要作用是必要时用于插座直接与PC机通信，此模块为可选部分，其连接关系为：SIP4的P1_6/MOSI端、P1_7/MISO端分别连接处理器芯片CC2530的P1_6/MOSI端、P1_7/MISO端。

工作状态指示灯D5作为智能用电插座通断状态指示灯，只有在插座成功启动并且加入网络后才被点亮。电阻R41的一端接VCC，电阻R41的另一端连接工作状态指示灯D5的正极，工作状态指示灯D5的负极连接处理器芯片CC2530的P1_LED3脚，本实施例中R41的大小满足如下两个公式：

(VCC-V_LED)/I_MAX≤R41≤(VCC-V_LED)/I_LED

(VCC-V_LED)/I_N≤R41

式中，VCC为CC2530电源电压+3.3V，V_LED为发光二极管D5的导通压降，I_LED为发光二极管D5的正常工作电流，I_MAX为发光二极管D5的最大工作电流。I_N为处理器I/O引脚的最大驱动电流。本实施例中，R41＝200Ω，I/O引脚为CC2530芯片的第9脚，最大驱动能力为I_N＝20MA。

图6为网络通信模块的电路原理图，包括集成巴伦2450BMI5A0002和2.4GHZ倒F型PCB天线。为保证天线U15性能达最佳状态需要注意三点：1)集成巴伦U1应该尽量靠近处理器，并且尽量与处理器芯片CC2530的25、26脚中点保持对称；2)电路板厚度应该尽量小，本实施例中的板厚取1.2MM，并且网络通信模块应该充分接地，一般采用添加过孔的方法，数量视具体情况而定；3)天线U15的双面(即PCB板顶层和底层)不宜敷铜，而且其周围尽量不要摆放其它元件。网络通信模块与处理器芯片CC2530的连接关系为：集成巴伦U1的RF_N端和RF_P端分别连接处理器芯片CC2530的25脚和26脚。

图7为时钟电平转换模块原理图，所述的时钟是指处理器模块与电量测量模块CS5460间SPI通信所用时钟。时钟接线电平转换模块的SCLK/P0_5端连接电量测量模块CS5460的SCLK/P0_5端，时钟接线电平转换模块的P0_5/SCLK连接处理器芯片CC2530的P0_5/SCLK。本实施例采用两级三极管反向器级联实现电平转换：R51、R52分别为三极管Q5、三极管Q6集电极偏置电阻；R48为三极管Q5的基极偏置电阻；C46与R48并联以增加三极管的开关速度；时钟电平转换模块为可选部件，根据所选电量测量芯片和处理器型号而定，如果处理器与电量测量芯片间电平已经匹配，则可省略此模块，本实施例中，由于处理器芯片CC2530的高、低电平分别为+3V、0V，电量测量模块CS5460的时钟引脚(5脚)能够识别的高电平最小值和低电平最大值分别约为+4V、0.8V，可见处理器芯片与电量测量芯片不匹配，故本实施例中应配置时钟电平转换模块。

图8为智能用电插座内部接线示意图。大体可分为用电设备接口和PCB板两部分。本实施例中，电源转换模块、可控开关模块、电量测量模块、处理器模块和网络通信模块均集成在PCB电路板上，所述的PCB板有三个接线点LIN、LOUT2、NOUT分别为火线接入点、火线输出点和零线接入点，实际中必须严格按照图示接法进行，否则将严重损坏元件；用电设备接口可提供普通两口或三口插孔，图中字母E、N、L分别代表实际插座的地线、零线和火线接点。

本实施例中的智能用电插座实现三种功能：开关控制、电量测量及实时通信，均通过处理器模块来实现，具体过程如下：

开关控制过程为：

处理器芯片CC2530的I/O口中P1_0端(即11脚)具有20MA的驱动能力，利用此端口实现对开关控制模块的控制，处理器芯片CC2530初始化环节将P1_0设置为输出方式，之后在运行过程中通过改变P1_0输出电平状态即可控制开关的通断：P1_0赋值为高电平时，开关接通；P1_0赋值为低电平时开关被切断。

电能测量过程为：

处理器芯片CC2530与电量测量模块CS5460间通信通过5线SPI总线方式进行电量数据交互和电量测量芯片工作参数设置，处理器芯片的P0_2/SDO端、P0_3/SDI端、P0_4/CS端、P0_5/SCLK端或SCLK/P0_5端、P0_7/INT端作为外部接口，处理器芯片CC2530通过P0_2/SDO端、P0_3/SDI端、P0_4/CS端、P0_5/SCLK端或SCLK/P0_5端、P0_7/INT端与电量测量芯片CC2530进行通信，处理器芯片CC2530有两个异步串口UART0和UART1，它们都能独立地被设置为异步串口方式或SPI方式。在本实例中，将UART0设置成SPI方式，UART1设置成异步串口模式。

图9为初始化环节流程图，完成的工作包括写CS5460芯片相关寄存器、初始化CC2530硬件，例如设置处理器芯片P0_7引脚为外部中断工作方式，并且触发方式为下降沿触发、寻找并且加入Zigbee网络、请求网络时间等。

本实施例对电量测量芯片相关参数设置加以说明，主要包括：1)设置每次电量计算周期的A/D转换次数，典型值为4000；2)设置每次计算周期完成时外部引脚产生中断，中断方式为下降沿触发，与处理器外部引脚P0_7中断触发方式相同即可；3)写校准数据至校准寄存器。接通开关环节设置处理器P1_0为高电平，即接通开关，并且点亮工作状态指示LED灯，所述工作状态指示灯对应附图5中的元件D5；启动测量环节中处理器芯片发送8位开始转换命令0xE8至电量测量芯片CS5460串口，电量测量芯片CS5460收到命令后启动内部A/D转换；启动操作系统轮询：每隔1MS查询外部中断P0_7的中断标志位，如果标志位被置1则通过SPI总线向电量测量芯片CS5460发送相关寄存器读取命令字来读取测量结果并进行处理后进入下一次扫描；如果无中断产生则直接进行下一次扫描。值得注意的是为了保持程序运行的稳定性，宜采用外部中断查询法读取电量数据，另外，电量测量芯片CS5460的工作参数及网络参数在程序运行的过程中都可以重新被设置。处理器与外部进行信息交互主要指电量测量结果数据的发送和开关控制命令或工作参数设置数据的接收。

实时通信：

本实施例中，采用Zigbee通信。通过在协议栈基础上建立自己的应用任务。每个任务都有与之对应的称之为“端口号”的标识。本例中采用基于TI公司CC2530处理器的Zigbee2007协议栈2.4.0版本。Zigbee任务的实现主要基于协议栈中OSAL(操作系统抽象层)的事件驱动与消息通信机制。OSAL以一定周期扫描各任务事件标志队列，本实施例采用默认周期1MS，这个定时时间默认由CC2530定时器2提供，一旦发现有未处理的事件，OSAL将设置相关事件标志位并调用对应任务的事件处理函数完成相关处理。另外，协议栈各层都为用户提供了相关原语操作，这是用户与整个Zigbee网络及处理器底层硬件资源交互的接口部分，例如用智能用电插座向网络中其它节点发送数据包等。整个Zigbee网络中有两类节点：一种是智能用电插座，另一种是主节点，智能用电插座向主节点传递用电数据信息，智能用电插座接收主节点的开关控制信号，实现通信，用户通过用电管理端与智能用电系统交互。如图10所示。

Claims

1.一种智能用电插座，其特征在于：包括电源转换模块、可控开关模块、电量测量模块、处理器模块和网络通信模块；所述处理器模块通过外部接口与电量测量模块连接，可控开关模块的输入端连接处理器模块的输出端，网络通讯通信模块的信号收发端连接处理器模块的天线信号收发端；

所述的电源转换模块，用于产生不同幅值的直流电压，为电量测量模块、可控开关模块和处理器模块提供所需的直流电压；所述的电量测量模块用于测量用电设备的电压、电流、功率和电能；所述的可控开关模块用于根据处理器模块的指令控制智能用电插座的通断；所述的网络通信模块用于智能用电插座与智能用电插座之间，智能用电插座和Internet网络之间的信息交互。

2.根据权利要求1所述的智能用电插座，其特征在于：所述的电源转换模块、可控开关模块、电量测量模块、处理器模块和网络通信模块均集成在一个电路板上。

3.根据权利要求1所述的智能用电插座，其特征在于：所述的电源转换模块直接连接火线和零线，与可控开关和用电设备线路独立。