CN102937667B - 一种无线智能可控的用于插座的计量设备 - Google Patents

Abstract

本发明的技术方案是提供了一种无线智能可控的用于插座的计量设备，包括相位检测回路、电压采样回路、电能计量单元、无线通信模块、电源回路、大电流继电器回路及电流采集回路。本发明的优点是：克服了传统的可控插座在通断控制的过程中继电器触点在瞬间会产生极大的大电流或高电压以及固态继电器选相角度不可控制的缺陷，是一种带过零控制的无线智能可控的计量插座。同时也克服了传统计量插座中电压采样回路、电流采样回路体积偏大、计量量程偏窄、计量精度不高、极小电流无法测得的缺陷。本发明还解决了传统计量插座无法实现无线控制和组网功能的问题，实现对负载的智能化网络化控制和计量信息的无线化网络化传递。

Description

一种无线智能可控的用于插座的计量设备

技术领域

本发明涉及一种有计量功能的智能控制设备，特别涉及一种无线智能可控的用于插座的计量设备。

背景技术

随着科学技术的进步，无线化、数字化、网络化、智能化是当前的科学技术应用的一种趋势，反映时代需求，是信息社会和未来智能建筑的发展方向。在全球能源日趋紧张的环境下，绿色低碳理念越来越深入到社会生产生活之中。尤其对电器设备的用电情况和节能控制提出了很多要求。从传统的远程有线的点到点的手动控制到现今主流的无线网络化智能控制。

ZIGBEE技术是一种新兴的基于IEEE802.15.4的无线通信技术，具有低功耗、低复杂度、网络扩展性好、使用全球免费ISM频段等特点。

继电器作为电器设备的开关控制元件，在实际应用中有其局限性。因继电器的触点在输入市电电压非过零处动作，特别是在市电相位90度或270度时，继电器触点将产生极大的瞬间大电流或高电压，对继电器本身和电器设备的使用寿命和正常工作状态产生影响。虽然已有过零固态继电器，但是，传统的继电器仍是不可替代的。事实上，不带有过零控制功能的智能插座将会导致降额使用，造成资源浪费。

传统的计量插座不带有无线通断控制，其计量量程也不大，在负载小电流时很难精确计量，同时因为体积过大很难集成在面板插座中；而传统可控插座因没有过零控制功能，在插座中很难做到16A额定电流的通断的正常操作，并且也没有无线网络能力和计量功能，因受到各种客观条件的限制，当今还未出现一款具有可远程与本地两种方式下的继电器过零控制通断额定电流16A的有无线网络能力的智能计量插座。

发明内容

本发明的目的是提供一种带过零控制的无线智能可控的计量插座。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种无线智能可控的用于插座的计量设备，包括相位检测回路、电压采样回路、电能计量单元、无线通信模块、电源回路、大电流继电器回路及电流采集回路，其特征在于：

相位检测回路检测市电电压过零处的相位检测方波信号，并把该相位检测方波信号送至无线通信模块；

电压采样回路对市电电压进行取样，并将电压取样信号送至电能计量单元的电压采样通道；

无线通信模块经由无线网络接收无线控制设备给出的控制信号，并根据该控制信号控制大电流继电器回路的通断，由大电流继电器回路向外接负载输出电源；

电流采集回路对大电流继电器回路输出的电源进行电流采集，并将采集到的电流信号送至电能计量单元的电流采样通道；

无线通信模块与电能计量单元之间进行双向数据传输：一方面，由无线通信模块对电能计量单元的工作状态和运行参数进行设置；另一方面，由无线通信模块将通过电能计量单元获得的电能参数通过无线网络传输至远端的信息数据处理中心；

由电源回路为相位检测回路、电能计量单元、无线通信模块及大电流继电器回路提供工作电压。

优选地，所述相位检测回路与所述电压采样回路共用一高压取样网络，由高压取样网络得到市电的电网电压取样信号；

所述相位检测回路还包括信号整形单元，由信号整形单元将电网电压取样信号整形为所述相位检测方波信号；

所述电压采样回路还包括分压单元及滤波单元，由分压回路对电网电压取样信号再次分压得到二次分压信号，滤波单元对该二次分压信号进行滤波得到一个与所述电能计量单元适配的交流小信号，该交流小信号即为所述电压取样信号。

优选地，所述高压取样网络包括串联在市电零线与火线之间的电阻R1、电阻R2、电阻R3及电阻R4，所述电网电压取样信号由电阻R4两端获得。

优选地，所述信号整形单元包括场效应管一及电阻R5，场效应管一的门极接入所述电阻R3与所述电阻R4之间，场效应管一的漏极接参考地，场效应管一的源极接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接所述电源回路，在场效应管一的源极与电阻R5之间引出所述相位检测方波信号。

优选地，所述分压单元包括串联的电阻R6及电阻R7，电阻R6及电阻R7并联在所述电阻R4的两端，由电阻R7的两端获得所述二次分压信号；

所述滤波单元由阻容滤波回路实现。

优选地，所述电流采集回路包括小电流量程采集回路及大电流量程采集回路，将0～10mA的负载电流范围定义为小电流量程，将10mA～16A的负载电流范围定义为大电流量程；

所述电流采样通道相对应地分为小电流采样通道及大电流采样通道；通过小电流量程采集回路获得的小电流信号经由小电流采样通道送入所述电能计量单元；通过大电流量程采集回路获得的大电流信号经由大电流采样通道送入所述电能计量单元；

当负载电流超过10mA时，电能计量单元仅读取大电流采样通道的大电流信号进行数据处理；否则，电能计量单元仅小电流采样通道的小电流信号进行数据处理。

优选地，所述大电流继电器回路包括大电流继电器、续流二极管及场效应管二，大电流继电器的输入回路的一端连接所述电源回路，另一端串接续流二极管后与所述电源回路相连，场效应管二的源极接入大电流继电器的输入回路的另一端与续流二极管之间，场效应管二的漏极接参考地，场效应管二的门极接所述无线通信模块；大电流继电器的输出回路的一端接市电的火线，另一端向外接负载输出火线信号。

优选地，所述小电流量程采集回路及所述大电流量程采集回路共用同一锰电阻，所述小电流量程采集回路及所述大电流量程还分别包括小电流滤波单元及大电流滤波单元，锰电阻串接在所述市电的火线与所述大电流继电器的输出回路的一端之间，小电流滤波单元及大电流滤波单元的一端分别接入锰电阻与所述大电流继电器的输出回路的一端之间，另一端分别引出所述小电流信号及所述大电流信号。

优选地，所述通过电能计量单元获得的电能参数至少包括电压有效值、电流有效值、有功功率值、频率、功率因素及电量值。

优选地，所述无线通信模块连接强制按键，无线通信模块根据强制按键的动作产生强制信号，由无线通信模块根据该强制信号控制大电流继电器回路的通断。

本发明的优点是：克服了传统的可控插座在通断控制的过程中继电器触点在瞬间会产生极大的大电流或高电压以及固态继电器选相角度不可控制的缺陷，是一种带过零控制的无线智能可控的计量插座。同时也克服了传统计量插座中电压采样回路、电流采样回路体积偏大、计量量程偏窄、计量精度不高、极小电流无法测得的缺陷。本发明还解决了传统计量插座无法实现无线控制和组网功能的问题，实现对负载的智能化网络化控制和计量信息的无线化网络化传递。

附图说明

图1为实施例中的一种无线智能可控的用于插座的计量设备的系统框图；

图2A为图1中的电源回路中的5V电压发生单元；

图2B为图1中的电源回路中的3.3V电压发生单元；

图3为图1中的相位检测回路与电压采样回路电气连接图；

图4为图1中的大电流继电器回路及电流采集回路电气连接图；

图5为图1中的强制按键、电能计量单元与无线通信模块电气连接图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，本实施例公开的一种无线智能可控的用于插座的计量设备主要由以下几个模块组成：相位检测回路、电压采样回路、电能计量单元、无线通信模块、电源回路、大电流继电器回路、电流采集回路及强制按键。

其总体工作过程为：将市电接入电源回路、电压采样回路和相位检测回路。电源回路为整个无线智能可控的计量插座的电路供电。电压采样回路的输出连接至电能计量单元。大电流继电器的输出回路的负载触头与电流采样回路一起串联到负载插座。由电流采样回路分别得到大电流信号和小电流信号，大电流信号和小电流信号分别连接到电能计量单元。电能计量单元与无线通信模块相连，其将采集到的电能参数经过内部数字化转换处理后传送到无线通信模块。无线通信模块采用ZIGBEE通讯协议，其通过ZIGBEE无线技术将电能参数传输到ZIGBEE无线网络中远端的信息处理中心。相位检测回路的输出端连接至无线通信模块，由无线通信模块来控制大电流继电器回路的投入时刻与电网过零点保持同步。强制按键连接至无线通信模块，通过手动操作强制按键来强制无线通信模块驱动大电流继电器回路的通断操作。

以下对各个模块做详细说明：

在本实施例中，由于相位检测回路及大电流继电器回路的工作电压为5V，而电能计量单元及无线通信模块所选用芯片的工作电压为3.3V，因此，在本实施例中，电源回路包括如图2A所示的5V电压发生单元及如图2B所示的3.3V电压发生单元。

如图2A所示，5V电压发生单元包括半波整流二极管D1、LCπ型滤波回路及型号为LNK306D的高度集成化的PFM功率开关芯片。半波整流二极管D1的后级是LCπ型滤波回路，经由LCπ型滤波回路得到一个较为平滑的高压直流电B，再由PFM功率开关芯片负责对高压直流电B进行BUCK变换，经反馈稳压及滤波后得到5V直流电压。

如图2B所示，3.3V电压发生单元选用型号为TPS79333的PSRR较高的LDO稳压芯片，该LDO稳压芯片输入5V直流电压信号后得到3.3V直流电压信号。

相位检测回路检测市电电压过零处的相位检测方波信号SYNC，并把该相位检测方波信号SYNC送至无线通信模块。电压采样回路对市电电压进行取样，并将电压取样信号送至电能计量单元的电压采样通道V_S。

如图3所示，相位检测回路与电压采样回路共用由电阻R1、电阻R2、电阻R3及电阻R4组成的高压取样网络，由电阻R4两端获得电网电压取样信号。

相位检测回路还包括由场效应管Q1和电阻R5组成信号整形回路，电网电压取样信号输入该信号整形回路后，输出一个3.3V的相位检测方波信号SYNC。场效应管一Q1的门极接入电阻R3与电阻R4之间，场效应管一Q1的漏极接参考地，场效应管一Q1的源极接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接5V直流电压，在场效应管一Q1的源极与电阻R5之间引出相位检测方波信号SYNC。本领域技术人员可根据需要，在场效应管一Q1的源极与漏极之间反并一个续流二极管，或选用带反并续流二极管的晶体管。

电压采样回路还包括由电阻R6及电阻R7组成的分压单元及有电阻R8及电容C1组成的阻容滤波单元。串联的电阻R6及电阻R7并联在电阻R4的两端，由电阻R7的两端获得二次分压信号，二次分压信号经阻容滤波单元滤波后得到一个200mV的交流小信号，该交流小信号送至电能计量单元进行AD变换处理。

无线通信模块经由无线网络接收无线控制设备给出的控制信号，并根据该控制信号控制大电流继电器回路的通断，由大电流继电器回路通过负载插座向外接负载输出电源。电流采集回路对大电流继电器回路输出的电源进行电流采集，并将采集到的电流信号送至电能计量单元的电流采样通道。

在本实施例中，电流采集回路包括小电流量程采集回路及大电流量程采集回路，将0～10mA的负载电流范围定义为小电流量程，将10mA～16A的负载电流范围定义为大电流量程；电流采样通道相对应地分为小电流采样通道A_S2及大电流采样通道A_S1；通过小电流量程采集回路获得的小电流信号经由小电流采样通道A_S2送入所述电能计量单元；通过大电流量程采集回路获得的大电流信号经由大电流采样通道A_S1送入所述电能计量单元。当负载电流超过10mA时，电能计量单元仅读取大电流采样通道A_S1的大电流信号进行数据处理；否则，电能计量单元仅小电流采样通道A_S2的小电流信号进行数据处理，实现自动量程换挡和智能无缝切换。

如图4所示，在本实施例中，大电流继电器回路包括大电流继电器K1、续流二极管D2及场效应管二Q2。大电流继电器K1的输入回路的一端连接5V直流电压，另一端串接续流二极管D2后与5V直流电压相连，场效应管二Q2的源极接入大电流继电器K1的输入回路的另一端与续流二极管D2之间，场效应管二Q2的漏极接参考地，场效应管二Q2的门极接无线通信模块，由无线通信模块给出驱动信号RL来控制场效应管二Q2的导通及截止。大电流继电器K1的输出回路的一端接市电的火线LINE，另一端连接负载插座的火线端。本领域技术人员可根据需要，在场效应管二Q2的源极与漏极之间反并一个续流二极管，或选用带反并续流二极管的晶体管。

小电流量程采集回路及大电流量程采集回路共用同一锰电阻R，小电流量程采集回路及大电流量程还分别包括由电阻R9及电容C3组成的小电流滤波单元及由电阻R10及电容C4组成的大电流滤波单元。锰电阻R串接在所述市电的火线LINE与所述大电流继电器K1的输出回路的一端之间，电阻R9及电阻R10的一端分别接入锰电阻R与大电流继电器K1的输出回路的一端之间，另一端分别引出小电流信号及大电流信号。

如图5所示，电能计量单元选用型号为ATT7053AU的专用计量芯片U4，无线通信模块选用支持ZIGBEE通讯协议的通讯芯片U5。专用计量芯片U4与通讯芯片U5之间通过SPI端口进行双向数据传输。

专用计量芯片U4的18脚(SCE)、19脚(MO)、20脚(MI)及21脚(SCLK)是SPI端口分别与通讯芯片U5由8脚(SCE)、4脚(MO)、5脚(MI)及7脚(SCLK)组成的SPI端口相连，实现双向数据传递。通讯芯片U5一方面对专用计量芯片U4进行工作状态和运行参数的初始化配置；另一方面主动发起对专用计量芯片U4采集的电能参数数据进行读取，同时也根据从专用计量芯片U4寄存器中读取到的电流值做出自动量程换挡和智能无缝切换。通讯芯片U5每秒专用计量芯片U4专用计量芯片中的电压有效值、电流有效值、有功功率值、频率、功率因素、电量值，并把这些数值传送到ZIGBEE无线网络中的数据处理中心。

强制按键连接到通讯芯片U5的16脚，当连续按住强制按键2秒左右的时间后，通讯芯片U5认为是发生了强制需要对大电流继电器K1做出开关通断操作的请求。

Claims (9)

1.一种无线智能可控的用于插座的计量设备，包括相位检测回路、电压采样回路、电能计量单元、无线通信模块、电源回路、大电流继电器回路及电流采集回路，其特征在于：

相位检测回路检测市电电压过零处的相位检测方波信号（SYNC），并把该相位检测方波信号（SYNC）送至无线通信模块；

电压采样回路对市电电压进行取样，并将电压取样信号送至电能计量单元的电压采样通道（V_S）；

无线通信模块经由无线网络接收无线控制设备给出的控制信号，并根据该控制信号控制大电流继电器回路的通断，由大电流继电器回路向外接负载输出电源；

电流采集回路对大电流继电器回路输出的电源进行电流采集，并将采集到的电流信号送至电能计量单元的电流采样通道；

无线通信模块与电能计量单元之间进行双向数据传输：一方面，由无线通信模块对电能计量单元的工作状态和运行参数进行设置；另一方面，由无线通信模块将通过电能计量单元获得的电能参数通过无线网络传输至远端的信息数据处理中心；

由电源回路为相位检测回路、电能计量单元、无线通信模块及大电流继电器回路提供工作电压；

所述相位检测回路与所述电压采样回路共用一高压取样网络，由高压取样网络得到市电的电网电压取样信号；

所述相位检测回路还包括信号整形单元，由信号整形单元将电网电压取样信号整形为所述相位检测方波信号（SYNC）；

所述电压采样回路还包括分压单元及滤波单元，由分压单元对电网电压取样信号再次分压得到二次分压信号，滤波单元对该二次分压信号进行滤波得到一个与所述电能计量单元适配的交流小信号，该交流小信号即为所述电压取样信号。

2.如权利要求1所述的一种无线智能可控的用于插座的计量设备，其特征在于：所述高压取样网络包括串联在市电零线（N）与火线（LINE）之间的电阻R1、电阻R2、电阻R3及电阻R4，所述电网电压取样信号由电阻R4两端获得。

3.如权利要求2所述的一种无线智能可控的用于插座的计量设备，其特征在于：所述信号整形单元包括场效应管一（Q1）及电阻R5，场效应管一（Q1）的门极接入所述电阻R3与所述电阻R4之间，场效应管一（Q1）的漏极接参考地，场效应管一（Q1）的源极接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接所述电源回路，在场效应管一（Q1）的源极与电阻R5之间引出所述相位检测方波信号（SYNC）。

4.如权利要求2所述的一种无线智能可控的用于插座的计量设备，其特征在于：所述分压单元包括串联的电阻R6及电阻R7，电阻R6及电阻R7并联在所述电阻R4的两端，由电阻R7的两端获得所述二次分压信号；

所述滤波单元由阻容滤波回路实现。

5.如权利要求1所述的一种无线智能可控的用于插座的计量设备，其特征在于：所述电流采集回路包括小电流量程采集回路及大电流量程采集回路，将0~10mA的负载电流范围定义为小电流量程，将10mA~16A的负载电流范围定义为大电流量程；

    所述电流采样通道相对应地分为小电流采样通道（A_S2）及大电流采样通道（A_S1）；通过小电流量程采集回路获得的小电流信号经由小电流采样通道（A_S2）送入所述电能计量单元；通过大电流量程采集回路获得的大电流信号经由大电流采样通道（A_S1）送入所述电能计量单元；

当负载电流超过10mA时，电能计量单元仅读取大电流采样通道（A_S1）的大电流信号进行数据处理；否则，电能计量单元仅小电流采样通道（A_S2）的小电流信号进行数据处理。

6.如权利要求5所述的一种无线智能可控的用于插座的计量设备，其特征在于：所述大电流继电器回路包括大电流继电器（K1）、续流二极管（D2）及场效应管二（Q2），大电流继电器（K1）的输入回路的一端连接所述电源回路，另一端串接续流二极管（D2）后与所述电源回路相连，场效应管二（Q2）的源极接入大电流继电器（K1）的输入回路的另一端与续流二极管（D2）之间，场效应管二（Q2）的漏极接参考地，场效应管二（Q2）的门极接所述无线通信模块；大电流继电器（K1）的输出回路的一端接市电的火线（LINE），另一端向外接负载输出火线信号。

7.如权利要求6所述的一种无线智能可控的用于插座的计量设备，其特征在于：所述小电流量程采集回路及所述大电流量程采集回路共用同一锰电阻（R），所述小电流量程采集回路及所述大电流量程还分别包括小电流滤波单元及大电流滤波单元，锰电阻（R）串接在所述市电的火线（LINE）与所述大电流继电器（K1）的输出回路的一端之间，小电流滤波单元及大电流滤波单元的一端分别接入锰电阻（R）与所述大电流继电器（K1）的输出回路的一端之间，另一端分别引出所述小电流信号及所述大电流信号。

8.如权利要求1所述的一种无线智能可控的用于插座的计量设备，其特征在于：所述通过电能计量单元获得的电能参数至少包括电压有效值、电流有效值、有功功率值、频率、功率因数及电量值。

9.如权利要求1所述的一种无线智能可控的用于插座的计量设备，其特征在于：所述无线通信模块连接强制按键，无线通信模块根据强制按键的动作产生强制信号，由无线通信模块根据该强制信号控制大电流继电器回路的通断。