CN104359194B - 基于分体空调的用能管理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分体空调的用能管理装置，包括收发器控制模块，以及分别与所述收发器控制模块相互连接的供电电源模块、用电计量模块、通讯模块、数据存储及实时时钟模块、继电器输出控制电路、红外收发电路、温度测量电路；所述用电计量模块包括电压电流取样电路和电量采集模块，所述通讯模块包括Lonworks双绞线收发器、无线智能收发器和电力载波收发器，无线智能收发器包括编解码单元和无线射频模块，编解码单元一端连接收发器控制模块、另一端连接无线射频模块。本发明通讯质量安全可靠，速率高；解决了现有分体空调用能效率不高，用能不合理的问题。
Description
技术领域
本发明涉及能源与节能技术领域，具体涉及一种基于分体空调用能管理装置。
背景技术
夏热、寒冬季节，分体空调的制冷、制热给人们带来了舒适的温度环境。据权威部门统计，空调约占建筑用电的一半以上，而分体空调是整个建筑尤其是办公建筑的耗电“大户”。同时，现实生活和工作中，使用分体空调经常会出现以下不合理用能情景：（1）未达到夏日或冬天使用的环境温度条件过早、不合理地进行使用；（2）非使用时仅关室内机未切断电源而产生的待机能耗；（3）夏天空调温度设定过低、冬天空调温度设定过高，导致超负荷运行既增加电能，又影响使用寿命；（4)人长时间离开房间后不关机、不断电仍保持运行状态浪费电能；（5）频繁开关分体空调，使空调耗电增多还可能引发压缩机损毁，等等。
如何使分体空调既能满足人们的生活和工作需要，又能节约电能提高能效，可采用多种方法以消除分体空调不合理的用能行为，降低电能消耗以控制在合理的范围主要有：（1）选择高能效的分体空调；（2）选择合理的安装位置；（3）通过管理手段；（4）通过技术手段。其中，管理与技术两种手段成为主要的控制手段。但是，为解决分体空调不合理用能，采用如对分体空调用电计量、核定用电定额超额加价收费、拉电等管理手段，并不完全解决存在的问题。因此，节能技术手段是解决分体空调不合理用能的重要和有效途径。目前，国内外针对分体空调采用的节能技术手段主要有：依据设定的可使用分体空调的场景温度与环境温度比较进行使用控制；依据设定的时段对分体空调运行定时断电进行待机控制；依据控制系统下发命令对联网的分体空调远程干预，进行开关、断电或温度设置修改等控制；依据设定的温度调节限对分体空调进行空调温度设置控制等。
国内目前所推出的针对分体空调节能控制的产品通常为智能插座，具备以上一种或多种控制方法组合的节能技术，如哈尔滨新中新电子股份有限公司的电能计量智能插座，通过插座中的电能计量装置计量插座的输出电能，由插座中的读卡装置提供的卡中信息，控制插座电源、分体空调的通断，它是一个通用插座，申请专利号：CN02132593.6；力创的LCDG-MB110-16智能插座产品只有电能计量功能；代表性的产品有FT-JJ3320型单相暗装智能插座，具有远程网络控制、红外遥控，使受控设备进行待机状态，不对用能进行计量及切断电源控制，因此不能节省待机能耗。上述产品有的只能独立使用，有的可以组网，组网通信的方式单一通常采用无线方式，并且节能控制方面存在诸多不足，如供电通断控制仅解决分体空调关机，但室内机需通过遥控器开机；具有遥控功能的只能进行压缩机待机与运行控制，不能解决待机能耗；具有计量功能的只能通过管理手段进行节能等。
因此。目前还没有一种产品能同时解决分体空调的待机能耗、可联网由人工下发远程命令控制开关机和替代遥控器设置空调温度、可设定不同的空调使用季节温度阀值控制适时使用、可根据温度设定启动分体空调制冷或制热状态（待机/运行）、可根据时段或课程表进行定时开机关机控制、可对分体空调用能进行计量和用能费用结算以及接入能源管理系统上传空调用电分项数据为管理节能提供依据、具有双绞线或无线或电力线组网通信，安装方便只需替换原供电插座等。
发明内容
本发明的目的是以新颖的节能技术和控制方法，解决现有产品的不足，提供一种具有监测电压、电流、功率、功率因数、环境温度和电能计量、高精度日历时钟，并依据设定的环境温度阀值、时段或远程命令进行自动送电或断电控制，依据设定的温度调节限度进行温度设置控制，根据设定的温度控制室外机的待机与运行，以及基于Lonworks双绞线、无线、电力载波通信的联网接入等组成的分体空调电子化、网络型用能管理装置。
本发明采取的技术方案是：一种基于分体空调的用能管理装置，包括收发器控制模块，以及分别与所述收发器控制模块相互连接的供电电源模块、用电计量模块、通讯模块、数据存储及实时时钟模块、继电器输出控制电路、红外收发电路、温度测量电路；所述用电计量模块包括电压电流取样电路和电量采集模块，电压电流取样电路输出端与电量采集模块输入端连接，电量采集模块输出端与收发器控制模块连接；所述通讯模块包括Lonworks双绞线收发器、无线智能收发器和电力载波收发器，Lonworks双绞线收发器、无线智能收发器和电力载波通讯收发器分别与收发器控制模块连接，所述无线智能收发器包括编解码单元和无线射频模块，编解码单元一端连接收发器控制模块、另一端连接无线射频模块。
进一步的，所述电力载波通讯收发器包括微处理器、外部存储器接口电路、信号输出放大电路、前置滤波电路和信号耦合电路，所述信号输出放大电路包含自动增益控制电路和功率放大电路，信号输出放大电路输入端连接微处理器，输出端连接信号耦合电路；所述前置滤波电路输入端连接信号耦合电路，输出端连接微处理器。
所述信号耦合电路通过电容C41和耦合变压器T2的一次侧组成高通滤波器，对载波通信信号进行处理，同时变压器T2 起到一个隔离作用，变压器T2的另一侧中一端连接电容C42的一端，另一端接地，电容C42的另一端分别连接二极管D41的阳极和二极管D42的阴极，二极管D41的阴极连接电源和电容C43的正极，电容C43的负极和二极管D42的阳极接地。
所述前置滤波电路包括依次相互串联的电容C1、电容C2、电阻R2、电阻R3、电阻R5、电容C4；电容C2和电阻R2相互连接的一端同时还连接电阻R1的一端，电阻R1另一端接地；电阻R2和电阻R3相互连接的一端同时还连接电容C3的一端，电容C3的另一端接地；电阻R3、电阻R5相互连接的一端同时还连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接两个相互并联的二极管，两个二极管一个阳极与电阻R4连接、另一个阴极与电阻R4连接，未与电阻R4连接的另一端接地。
优选的，所述供电电源模块采用LD03-10B12开关电源模块提供DC12V电压，采用78M05稳压芯片输出DC5V电压，采用ASM1117-3.3稳压芯片输出DC3.3V电压。
进一步的，所述电压电流取样模块包括电压采样电路和电流采样电路；所述电压采样电路采用电阻分压方式采样，包括依次相互串联的电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12，电阻R12另一端与由相互并联的电阻和电容所构成的抗混叠滤波器连接；所述电流采样电路采用电流互感器CT1隔离输入方式，电流互感器CT1输出端中的一端分别与电阻R18和R39的一端连接，另一端分别与电阻R19和R40的一端连接，电阻R18和R19的另一端分别连接电容C16和C17一端，电阻R39、R40和电容C16、C17的另一端接地。
优选的，所述电量采集模块采用单相多功能计量芯片ATT7053A，其CF1引脚配置为有功电能脉冲输出引脚，经光耦隔离输出，用于有功电能脉冲输出测量。
进一步的，所述数据存储及实时时钟模块由数据存储电路和高精度时钟电路组成，其采用带时钟的铁电存储器，用于存放电能信息，红外解码信息，及其他重要的数据，同时外接纽扣电池用于掉电时保持正常工作。
优选的，所述收发器控制模块采用FT5000或Neuron5000作为控制器，所述编解码单元选用ARM或FPGA芯片，所述无线射频模块选用具用RS232通信接口的无线模块，所述温度测量电路中采用一总线的DSl8B20温度传感器；所述继电器输出控制电路选用60A触电切换能力的磁保持继电器。
本发明的有益效果是：通讯质量安全可靠，速率高；能够实时测量分体空调的用能、负荷、电能质量以及环境温度等数据，对分体空调进行远程开/关控制、时段自动开/关控制、压缩机运行/待机自动控制、温度调节控制，解决现有分体空调用能效率不高，用能不合理的问题。同时AC220V工作电压，无需配备专用电源；对分体空调工况监测报警、电能质量异常报警、用能超出定额计划报警；适合办公楼、公共建筑、学校、医院等在大量使用分体式空调场合，对分体空调进行统一的管理和控制，达到节能减排的目的；具有Lonworks双绞线、无线、电力载波多种通讯接口，可根据实际情况和需求选择合适的通讯接口，降低施工成本和难度。
附图说明
图1是本发明的原理结构框图。
图2是无线智能收发器的电路原理图。
图3是电力载波收发器原理结构图。
图4是电力载波收发器CPU最小系统原理图。
图5是电力载波收发器中外部存储器接口电路原理图。
图6是电力载波收发器中信号输出放大电路原理图。
图7是电力载波收发器中前置滤波电路原理图。
图8是电力载波收发器中信号耦合电路原理图。
图9是供电电源模块电路原理图。
图10是本电压电流取样电路原理图。
图11是用电计量模块电路原理图。
图12是继电器输出控制电路原理图。
图13是红外接收发送电路原理图。
图14是数据存储电路及时钟电路原理图。
图15是温度测量电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于分体空调的用能管理装置，包括收发器控制模块，以及分别与所述收发器控制模块相互连接的供电电源模块、用电计量模块、通讯模块、数据存储及实时时钟模块、继电器输出控制电路、红外收发电路、温度测量电路；所述用电计量模块包括电压电流取样电路和电量采集模块，电压电流取样电路输出端与电量采集模块输入端连接，电量采集模块输出端与收发器控制模块连接；所述通讯模块包括Lonworks双绞线收发器、无线智能收发器和电力载波收发器，Lonworks双绞线收发器、无线智能收发器和电力载波通讯收发器分别与收发器控制模块连接，所述无线智能收发器包括编解码单元和无线射频模块，编解码单元一端连接收发器控制模块、另一端连接无线射频模块。
如图2所示，无线智能收发器由FPGA曼彻斯特编解码单元和无线射频模块组成。由于Neuron 5000收发的是差分曼彻斯特信号，而所有的无线射频模块一般只支持TTL电平或RS232/RS485三种接口，因此，无法直接将Neuron 5000与无线射频模块连接通信，必须将Neuron 5000的差分曼彻斯特信号转换成无线射频模块串口可识别的二进制数据格式（二进制码）。为此，在Neuron5000与无线射频模块之间需要一个中间处理单元，将差分曼彻斯特编码信号解码成二进制数据格式和将二进制数据格式编码成差分曼彻斯特信号，使Neuron 5000与无线射频模块之间通过这个中间处理单元建立通信机制。本发明设计FPGA差分曼彻斯特编解码单元，就是作为中间处理单元进行差分曼彻斯信号的编码和解码处理，使FPGA一端与Neuron 5000的数据收发端口CP0、CP1相连，另一端与无线射频模块的通信串口连接，当FPGA差分曼彻斯特编解码单元接收到Neuron5000的CP1发出的差分曼彻斯特编码信号后，立即进行解码工作将数据转换为二进制数据，然后通过模拟的串口将数据发送给无线射频模块。同理，当FPGA通过串口接收到无线射频模块的数据后，立即进行编码将二进制数据转换为差分曼彻斯特编码信号，传输给Neuron5000 的CP0口。与此同时，由于FPGA差分曼彻斯特编解码单元，是直接将Neuron500的收发数据进行编解码后通过无线射频模块进行发送或接收，因此，无线通信空间传输符合LonTalk协议无需对具体协议内容进行任何解析处理，是最简单方便的实现方案，降低了研发周期和难度，并提高设备的稳定性。本发明中选用性价比较高的型号为STM32F103C8T6的ARM，也可选用其它型号的ARM或FPGA芯片；无线射频模块可选用市场上通用的具用RS232通信接口的无线模块，如433MHz、470MHz、Zigbee、Wifi等无线模块。
如图3至图8所示，电力载波收发器采用PL–3150微处理器（CPU），其包括窄带电力线收发器核心和可用于运行应用程序和管理网络通信的8位神经元处理器核心。最小系统包括电源电路，外部复位电路，晶振电路等组成。当检测到供电电源超出容差范围时，DSl233的内部产生电源失效信号，强迫把系统置为复位状态。电力载波智能收发器中外部存储器接口电路,用于存储系统固件、应用程序代码和变量等，并且应用程序能够通过电力线网络更新。A[0：15]、D[0：7]分别连接PL3150的地址、数据总线，PL3150的E,R/W连接外部存储器的使能及读/写控制。系统硬件电路必须添加一些门电路，使地址时序和指令时序能够合理协调，以保证系统正常工作。电力载波信号输出放大电路，包含自动增益控制电路和功率放大电路。TXDAC发送波形DAC输出，TXSENSE发送放大器传感器反馈，TXBIAS发送放大器偏压源，VCORE为内部稳压输出。
信号接收前置滤波电路中由分离元件组成的一个带通滤波器能有效抑制信道中的噪声和干扰。所述前置滤波电路包括依次相互串联的电容C1、电容C2、电阻R2、电阻R3、电阻R5、电容C4；电容C2和电阻R2相互连接的一端同时还连接电阻R1的一端，电阻R1另一端接地；电阻R2和电阻R3相互连接的一端同时还连接电容C3的一端，电容C3的另一端接地；电阻R3、电阻R5相互连接的一端同时还连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接两个相互并联的二极管，两个二极管一个阳极与电阻R4连接、另一个阴极与电阻R4连接，未与电阻R4连接的另一端接地。
载波通信耦合电路，通过电容C41和耦合变压器T2的一次侧组成高通滤波器，对载波通信信号进行处理，同时变压器T2 起到一个隔离作用，TXOUT为信号输出接口，RXIN为信号输入接口，处理过的信号接入信号的处理电路，经过多次滤波、放大接入CPU进行D/A处理分析。电容C41和耦合变压器T2的一次侧组成高通滤波器，对载波通信信号进行处理，同时变压器T2 起到一个隔离作用，变压器T2的另一侧中一端连接电容C42的一端，另一端接地，电容C42的另一端分别连接二极管D41的阳极和二极管D42的阴极，二极管D41的阴极连接电源和电容C43的正极，电容C43的负极和二极管D42的阳极接地。
如图9所示，采用LD03-10B12开关电源模块，可交直流电源供电，可靠性稳定性高，模块输出单路DC12V。DC12V（+12V）再经78M05稳压成DC5V（+5V），经ASM1117-3.3稳压成DC3.3V（AVCC）；DC12V为LON电力载波通信模块发送数据和继电器提供电源, DC5V主要用于LonWorks智能收发器模块, 温度测量电路、红外收发电路。 DC3.3V主要为外围芯片电路（电测量芯片、铁电存储器）提供电源。另外还有纽扣电池用于掉电后的时钟供电。
如图10所示，电压电流采样电路，电压采样采用电阻分压方式，被测量电压经电阻分压网络分压，得到符合计量芯片电压输入通道，输入要求范围的信号值，电压通道推荐输入为200mV有效值。电压信号太大，会导致串扰，以及量程溢出。 电流采样采用电流互感器隔离输入方式，感应出的电流信号经精密电阻R37、R38转换成相应的电压信号至计量芯片的电流测量通道引脚。电压和电流输入电路中电阻1.2K和电容0.01uF构成了抗混叠滤波器，其结构和参数 要讲究对称，并采用温度性能较好的元器件，从而保证测量时获得好的温度特性。具体的，所述电压采样电路包括依次相互串联的电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12，电阻R12另一端与由相互并联的电阻和电容所构成的抗混叠滤波器连接；所述电流采样电路采用电流互感器CT1隔离输入方式，电流互感器CT1输出端中的一端分别与电阻R18和R39的一端连接，另一端分别与电阻R19和R40的一端连接，电阻R18和R19的另一端分别连接电容C16和C17一端，电阻R39、R40和电容C16、C17的另一端接地。
如图11所示，选用单相多功能计量芯片ATT7053A，ATT7053A为钜泉光电推出的符合国网要求的单相计量芯片。ATT7053是一颗带SPI接口的单项计量芯片，工作电压范围3.0V-3.6V。该芯片集成19位sigma-delta ADC，支持2000:1的动态范围；用户可以同时得到两个通道的有功功率，无功功率；能够同时得到三通道的有效值，及电压频率、电压电流相位；支持断相窃电；片内集成温度传感器；寄存器默认情况下全速运行的功耗为2.4mA；支持电压、电流过零中断、采样中断、电能脉冲中断、校表中断等，CF1引脚默认配置为有功电能脉冲输出引脚，经光耦隔离输出，用于有功电能脉冲输出测量。
如图12所示，继电器输出控制：选用60A触电切换能力的磁保持继电器，能够满足一般场合大功率电气的断送电控制。
如图13所示，红外接收用于接收学习收到的红外遥控器的指令，红外发送用于手动，自动发送学习到的红外指令，用于代替红外遥控器的功能。红外发送时由PWM引脚产生38K调制信号，由FR_TX引脚输出相应的红外编码信息。红外接收时定义FR_RX为红外输入引脚，用于与红外远程控制的这一类设备相连，捕获这一类设备输出的数据流，Neuron芯片通过测量数据流ON/OFF循环的周期长度来确认数据是0还是1（长对应的数据时1，短对应的数据时0）。红外输入对象是使用其中一定时器、计数器来测量ON/OFF循环的周期值。红外编码产生一个启动为循环，在启动为循环期间，驱动输入为低电平，用Neuron芯片的IO捕获这段低电平启动红外的解码。
如图14所示，数据存储电路、高精度时钟电路原理图。采用带时钟的铁电存储器，用于存放电能信息，红外解码信息，及其他重要的数据。外接纽扣电池用于掉电时保持。
如图15所示，温度传感器采用一总线的DSl8B20，DSl8B20数字温度计提供 9 位(二进制)温度读数指示器件的温度，信息经过单线接口送入DSl8B20 或从DSl8B20 送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线(和地线)。DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。DSl8B20的测量范围从-55到+125增量值为0.5，可在 l s(典型值)内把温度变换成数字。
本发明采用的技术原理与节能控制方法如下：
1、采集分体空调的用能、负荷、电能质量等测量数据，由MCU存储、处理这些数据，并通过本发明具有的通信接口，供系统联网使用。
2、自带高精度日历时钟，为分体空调使用提供时段定时控制及运行和非运行时间的统计。
3、自学习分体空调所属遥控器的红外控制命令的编码，模拟遥控器功能通过系统对分体空调如工作模式、待机/运行、温度设定等。
4、MCU根据设定的开机工作时段接通分体空调供电电源，在工作时段以外时间段切断供电电源，消除待机功耗。同时有效控制非使用空调季节或时段对分体空调送电。
5、在开机工作时段接通分体空调供电电源后，本发明根据当前季节或上次关机时的工作模式（制冷/制热）通过红外去遥控分体空调进入制冷/制热运行状态。
6、MCU在开机工作时段内采集环境温度，与设定的温度值比较。当环境温度与设定的温度不一致时，通过红外遥控重新设定分体空调温度，防止通过分体空调自带的遥控器将温度设定的太高或太低，从而节约能源。
7、通过Lonworks网络组建多分体空调的监控系统，并可与能源管理系统进行集成，利用系统平台的人机交互界面进行监控，也可通过该平台发布用能信息、费用结算，从而通过管理手段进行控制。
8、通过采集正在运行的分体空调的负荷数据可以判别该设备的工况，设别设备状态。如功率远小于设备的额定功率，设备故障；如功率远大于设备的额定功率，设备老化，能效下降。
9、分体空调的压缩机运行时间计量，自学习所在环境分体空调制冷/制热到某温度的时间，判别本次运行时间，从容识别分体空调的制冷/制热效果，通知使用者进行维护。如添加制冷剂。
10、通过电能质量监测、切断电源控制，可以保护分体空调的设备安全，提高使用寿命。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (5)
1.一种基于分体空调的用能管理装置，其特征在于：包括收发器控制模块，以及分别与所述收发器控制模块相互连接的供电电源模块、用电计量模块、通讯模块、数据存储及实时时钟模块、继电器输出控制电路、红外收发电路、温度测量电路；所述用电计量模块包括电压电流取样电路和电量采集模块，电压电流取样电路输出端与电量采集模块输入端连接，电量采集模块输出端与收发器控制模块连接；所述通讯模块包括Lonworks双绞线收发器、无线智能收发器和电力载波通讯收发器，Lonworks双绞线收发器、无线智能收发器和电力载波通讯收发器分别与收发器控制模块连接，所述无线智能收发器包括编解码单元和无线射频模块，编解码单元一端连接收发器控制模块、另一端连接无线射频模块；
所述电力载波通讯收发器包括微处理器、外部存储器接口电路、信号输出放大电路、前置滤波电路和信号耦合电路，所述信号输出放大电路包含自动增益控制电路和功率放大电路，信号输出放大电路输入端连接微处理器，输出端连接信号耦合电路；
所述前置滤波电路输入端连接信号耦合电路，输出端连接微处理器；所述信号耦合电路通过电容C41和耦合变压器T2的一次侧组成高通滤波器，对载波通信信号进行处理，同时变压器T2起到一个隔离作用，变压器T2的另一侧中一端连接电容C42的一端，另一端接地，电容C42的另一端分别连接二极管D41的阳极和二极管D42的阴极，二极管D41的阴极连接电源和电容C43的正极，电容C43的负极和二极管D42的阳极接地；
所述前置滤波电路包括依次相互串联的电容C1、电容C2、电阻R2、电阻R3、电阻R5、电容C4；电容C2和电阻R2相互连接的一端同时还连接电阻R1的一端，电阻R1另一端接地；电阻R2和电阻R3相互连接的一端同时还连接电容C3的一端，电容C3的另一端接地；电阻R3、电阻R5相互连接的一端同时还连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接两个相互并联的二极管，两个二极管一个阳极与电阻R4连接、另一个阴极与电阻R4连接，未与电阻R4连接的另一端接地；
所述收发器控制模块采用FT5000或Neuron5000作为控制器，所述编解码单元选用ARM或FPGA芯片，所述无线射频模块选用具用RS232通信接口的无线模块，所述温度测量电路中采用一总线的DSl8B20温度传感器；所述继电器输出控制电路选用60A触电切换能力的磁保持继电器。
2.根据权利要求1所述的基于分体空调的用能管理装置，其特征在于：所述供电电源模块采用LD03-10B12开关电源模块提供DC12V电压，采用78M05稳压芯片输出DC5V电压，采用ASM1117-3.3稳压芯片输出DC3.3V电压。
3.根据权利要求1所述的基于分体空调的用能管理装置，其特征在于：所述电压电流取样电路包括电压采样电路和电流采样电路；所述电压采样电路采用电阻分压方式采样，包括依次相互串联的电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12，电阻R12另一端与由相互并联的电阻和电容所构成的抗混叠滤波器连接；所述电流采样电路采用电流互感器CT1隔离输入方式，电流互感器CT1输出端中的一端分别与电阻R18和R39的一端连接，另一端分别与电阻R19和R40的一端连接，电阻R18和R19的另一端分别连接电容C16和C17一端，电阻R39、R40和电容C16、C17的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的基于分体空调的用能管理装置，其特征在于：所述电量采集模块采用单相多功能计量芯片ATT7053A，其CF1引脚配置为有功电能脉冲输出引脚，经光耦隔离输出，用于有功电能脉冲输出测量。
5.根据权利要求1所述的基于分体空调的用能管理装置，其特征在于：所述数据存储及实时时钟模块由数据存储电路和高精度时钟电路组成，其采用带时钟的铁电存储器，用于存放电能信息，红外解码信息，及其他重要的数据，同时外接纽扣电池用于掉电时保持正常工作。
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