CN111679121A - 一种智能家居用电监控装置及其功耗检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于用电设备监测技术领域，设计民用家电，尤其是一种智能家居用电监控装置及其功耗检测方法，包括MCU控制芯片、继电器控制模块和功耗检测模块，所述功耗检测模块的信号输出端与MCU控制芯片连接，MCU控制芯片和继电器控制模块的控制端连接，所述功耗检测模块与外部的家用电器连接，用于采集并检测家用电器的电压和电流，所述继电器控制模块经继电器连接外部的家用电器，用于控制继电器是否导通，所述监控装置内还安装有电源模块为该监控装置内的所述模块进行供电。

Description

一种智能家居用电监控装置及其功耗检测方法

技术领域

本发明属于用电设备监测技术领域，设计民用家电，尤其是一种智能家居用电监控装置及其功耗检测方法。

背景技术

随着近年智能电网与阶梯电价理念的提出，科学用电已经越来越受到人们的重视。国内现有的家庭其用电设备，大都经普及更换采用单相电子式智能电能表计量，由于电子式电能表的显示界面小，信息显示量少，处理能力相对有限，可操作性比较差，使得用户无法对电能信息进行完整的分析，更无法对家庭用电进行灵活地管理。故电力系统中实施实时监控、实时调度，从而高度实现自动化显得尤为重要,而电力参数的数据采集又是实现自动化的重要环节,如何快速准确地采集用电系统中各用电设备的电参数(电压,电流,功率,功率因数等)是实现电力系统自动化不可或缺的重要因素。

现有技术的缺陷和不足：

(1)目前我国市场上的智能家居控制器的大部分是基于ARM控制芯片和红外传输技术，ARM具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面，而盛群单片机主要是用来计算的，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。

(2)市场潜力大。我们知道现在的房地产业在全国的发展都很火爆，作为其下游产业，智能家居市场前景非常乐观。智能家居产业处于引导期，没有一个统帅品牌和领军企业，市场处于无序竞争期。这个产业各自为政，没有一个统一标准，各种技术力量重复投入，致使在这个基础上的家庭网络产品五花八门，但多数产品是大同小异，行业内各企业的竞争处于无序状态。

(3)智能家居行业市场还未成熟。大规模的价格战、广告战和服务战还没有爆发，市场份额较为分散，市场的认知和接受程度较低，市场尚处于一个需要逐步培育和引导的阶段。与产品的服务供应商的争先恐后相比，智能家居产品进入用户终端的步伐略显迟缓。

发明内容

本发明提供了一种对电器耗电量的计量，并能通过继电器有效控制电器的供电回路通断的智能家居用电监控装置及其功耗检测方法。

一种智能家居用电监控装置，该装置安装在开关插座内，其特征在于：包括MCU控制芯片、继电器控制模块和功耗检测模块，所述功耗检测模块的信号输出端与MCU控制芯片连接，MCU控制芯片和继电器控制模块的控制端连接，所述功耗检测模块与外部的家用电器连接，用于采集并检测家用电器的电压和电流，所述继电器控制模块经继电器连接外部的家用电器，用于控制继电器是否导通，所述监控装置内还安装有电源模块为该监控装置内的所述模块进行供电。

进一步的，所述MCU控制芯片的接口还连接有报警模块和控制按钮，并分别与WIFI模块和SD卡接口双向连接，其中WIFI模块通过网络分别与外部的移动终端和数据服务器实现数据双向互通，所述监控装置内还安装有电源模块为该监控装置内的所述模块进行供电；所述MCU控制芯片采用STC90C51RD+单片机及其外围电路，该外围电路分别包括复位电路、晶振电路、按键电路、蜂鸣器电路、wifi连接电路、SD卡连接电路。

进一步的，所述功耗检测模块包括电流互感器、电压互感器、CS5460及其外围电路，其中，电流互感器采用DL-CT1005A型精密交流电流采样器，通过去耦电容和电阻网络形成电流采样电路，220V的N线按照电流互感器产品说明上的输入信号方向穿过互感器，输出回路中串入采样电阻与CS5460及其外围电路连接；其中，电流互感器采用DL-PT202D型精密电压互感器，电压采样电路接入外部限流电阻，其输出端需次级跨接采样电阻与CS5460及其外围电路连接。

进一步的，所述电源模块包括一个三端稳压器和相关电路，该电源模块用于将220V交流电转变为+5V和+3.3V直流电，其中所述的三端稳压器采用型号为LM7805的三端稳压器。

应用所述的智能家居用电监控装置的功耗检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：中断服务关闭；

步骤2：硬件初始化；

步骤3：软件初始化；

步骤4：中断服务开启；

步骤5：数据采集程序工作；

步骤6：瞬时值有效值采集程序工作；

步骤7：电能计算程序工作；

步骤8：网络通信程序工作；

步骤9：等待定时器再次中断后重复步骤5-步骤9。

而且，所述步骤5中，以固定的采样周期分别对电压的输入信号和电流的输入信号进行循环采集，每路信号每个采样周期内采集12次，每个采样周期后新的瞬态功率值分别存入RMS电压寄存器和RMS电流寄存器，12个为一组，该组内的累加和用于计算存放组能量寄存器。

而且，所述步骤6中，首先测量瞬态电流和瞬态电压，由此计算出相应的瞬时功率以及有功能量、电压有效值和电流有效值的周期计算值。

而且，所述步骤7中，首先检测是否为电压信号，如是则读取相应电能值，后与电能变量相加，最后重新存储该相新电能，其中所述电能值的存储区域设置在MCU控制芯片的RAM中。

本发明的优点和积极效果是：

本发明中，采用MCU控制芯片、继电器控制模块和功耗检测模块进行配合，形成一套可对家电能耗实时显示和控制的监测装置，其中功耗检测模块用于检测相应家电的电压、电流值并计算出瞬时电流、瞬时电压、电流有效值、电压有效值、电能等各种电参数，后按类型存入相应寄存器，MCU对于上述信息进行采集并向继电器控制模块输出控制命令，继电器控制模块则可控制继电器以实现对电器的电路控制。

本发明中，所述MCU控制芯片采用STC90C51RD+系列单片机具有超低功耗的的特性和优点；功耗检测模块采用了专业的电量检测芯片CS5460，该芯片的软件部分采用C语言编程来实现电量检测的预定功能。

本发明中，基于STC90C516RD+单片机进行设计，与其适配的外围电路通过按钮开启后，能实时监测家用电器的耗电量，多个该装置可以组建基础网网络平台，并能通过无线传输将该网络中所有安装此装置的电器的耗电数据上传到服务器中，发送给智能家居电量检测网站，通过网站页面进行显示与数据分析。如果出现过电流的现象，该装置内部设计的蜂鸣器将会在一定时间内持续鸣响提醒，并通过控制电路控制继电器断开电源，随后蜂鸣器停止发声，从而达到节约电能的效果；并且该报警事件可通过网络协议发送至PDA终端。不需要使用此装置时，按下关闭按钮，即变成一个普通家庭插座。本系统还加入了SD卡接口，方便用户拷走该装置所检测出来的数据。

本发明所述的装置具有价格低廉、使用方便、不受其他条件限制等优势并且市场前景比较广阔。日后还可以进行产品升级并广泛应用于家庭各用电设备使之接入互联网真正实现家居智能化随时随地都可以监控家电运行，更加方便快捷，消除不安全隐患。

附图说明

图1为本发明的模块示意图；

图2为本发明中电源模块部分的电路图；

图3为功耗检测模块部分的模块示意图；

图4为CS5460及其外围电路；

图5为电压采样电路部分的电路图；

图6为电流采样电路部分的电路图；

图7为STC90C516RD+及其外围电路；

图8为手动按钮复位电路部分的电路图；

图9为晶振电路部分的电路图；

图10为蜂鸣器电路部分的电路图；

图11为按键电路部分的电路图；

图12为SD卡连接电路部分的电路图；

图13为wifi连接电路部分的电路图；

图14为功耗检测方法主程序部分的流程图；

图15为图14中数据采集部分的流程图；

图16为图14中瞬时值有效值计算部分的流程图；

图17为电能计算部分的流程图；

图18为按键程序部分的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

本实施例中，如图1所示，包括MCU控制芯片、继电器控制模块和功耗检测模块，所述功耗检测模块的信号输出端与MCU控制芯片连接，MCU控制芯片和继电器控制模块的控制端连接，所述功耗检测模块与外部的家用电器连接，用于采集并检测家用电器的电压和电流，所述继电器控制模块经继电器连接外部的家用电器，用于控制继电器是否导通，所述监控装置内还安装有电源模块为该监控装置内的所述模块进行供电。

本实施例中，所述MCU控制芯片的接口还连接有报警模块和控制按钮，并分别与WIFI模块和SD卡接口双向连接，其中WIFI模块通过网络分别与外部的移动终端和数据服务器实现数据双向互通，所述监控装置内还安装有电源模块(如图2所示)为该监控装置内的所述模块进行供电；所述MCU控制芯片采用STC90C51RD+单片机及其外围电路如图7所示，该外围电路分别包括复位电路、晶振电路、按键电路、蜂鸣器电路、wifi连接电路、SD卡连接电路。

本实施例中，所述复位电路采用手动按钮复位如图8所示，在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。

本实施例中，所述晶振电路如图9所示，采用晶体Y2振荡器产生振源，为提升电路的稳定性，在晶振的两引脚处接进两个10pf-50pf的瓷片电容C15、C16接地来削减谐波对电路的稳定性的影响，其中C15、C16均取30pf，该电路分别于单片机的脚XTAL1和脚XTAL2相连。由于晶振是给单片机提供工作信号脉冲的，这个脉冲就是单片机的工作速度，晶振取值越大，单片机的处理速度越快，也就是其执行指令和数据访问的速度越快。比如：12M晶振.单片机工作速度就是每秒12M。但晶振的选取最大不可超过24M。晶振的两个电容选择的一般方法：首先看所选晶振的厂家给出的配置标准，在规定的范围内，选取的数值越低越好；因为电容数值选的越大，会造成起振时间的增加。最细化的选取参考标准是，C2略大于C1，这样可使起振时间达到最优配置。

本实施例中，所述按键电路如图11所示，包括S2和S3，该电路的S2、S3分别与单片机P2.7、P2.4脚相连接。对于S2启动按钮，如果的确有键按下，则正常执行该装置功能；否则不能启动该装置。对于S3关闭，如果确被按下，则该装置掉电不工作，否则继续返回正常工作。

本实施例中，所述蜂鸣器电路如图10所示，包括一个三极管Q1、一个蜂鸣器B2、一个续流二极管D1。其P36脚接主控芯片的P1.6脚，Vcc接+5V电源。

本实施例中，所述WIFI连接电路如图13所示，其中WIFI模块采用HLK-WIFI-M03型号微控制模块，该模块提供双列直插8针引脚。其6脚接单片机串行输入口P3.0；7脚接单片机串行输出口P3.1；8脚接地，5脚接电源电路3.3V电源。

本市实施例中，所述SD卡连接电路如图12所示，采用单片机开发板自带SD卡接口，1脚DAT3接单片机P3.2；2脚CMD接单片机P1.5；5脚CLK接单片机P1.7；其7脚DAT0接单片机P1.6。

本实施例中，所述功耗检测模块如图3所示，包括电流互感器、电压互感器、CS5460及其外围电路如图4所示，其中，电流互感器采用DL-CT1005A型精密交流电流采样器，通过去耦电容和电阻网络形成电流采样电路，220V的N线按照电流互感器产品说明上的输入信号方向穿过互感器，输出回路中串入采样电阻与CS5460及其外围电路连接；其中，电流互感器采用DL-PT202D型精密电压互感器，电压采样电路接入外部限流电阻，其输出端需次级跨接采样电阻与CS5460及其外围电路连接。所述CS5460A是高度集成的A/D转换器，它在单一芯片上结合了高速功率计算功能、两个A/D转换器和一个串行接口。该芯片是为计算和精确测量而设计的，可用于单相2或3线功率测量设备的瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值、能量等数据的测量。CS5460A可与测量用变压器或电阻分割器相联接以测量电压，也可与一个变压器或低成本旁路电阻相联接以测量电流。CS5460A带有一个与供电成正比的可编程频率输出和一个与微控制器通信的双向串口。CS5460A的片上功能还包括直流或交流系统校准。

本实施例中，电流、电压信号分别通过电流互感器和电压互感器采样之后通过流/压变换电路转换为电量检测芯片CS5460A可接收的信号并输入至该芯片的模拟信号输入端。该芯片的电流和电压输入通道皆采用差分输入，电流通道根据增益设定的不同(为10或50)，相应的输入电压范围为250mV或50mV，电压通道输入范围为250mV。

本实施例中，电压采样电路如图5所示，由去耦电容、电阻网络和电压互感器组成。电压互感器采用变比1：1的电流型电压互感器为DL-PT202D型精密电压互感器。该互感器采用特制隔离模块，将被测的交流电压隔离转换成同频同相的小交流电流信号。将220V的L线与N线按照电压互感器产品说明上的标注分别与V-与V+连接，以保证输入信号与输出信号同相。该互感器工作时须使用外部限流电阻，阻值按100KΩ选取，从而通过从输入回路中索取2mA电流来达到测量目的,而改变阻值可达到测量不同电压的目的。输出端为跟踪电流源输出,满度标称输出为2mA，使用时需要在次级跨接采样电阻。根据后面连接的电能表芯片CS5460要求的250mV的电压范围，将电阻阻值定为250Ω。

本实施例中，电流采样电路如图6所示，由去耦电容、电阻网络和电流互感器组成。电流互感器为变比2000：1的DL-CT1005A型精密交流电流采样器。该电流互感器采用特制隔离模块，将被测交流电流转换成同频同相的小交流电流信号。将220V的N线按照电流互感器产品说明上的输入信号方向穿过互感器，以保证被测信号与输出信号同相。输出为电流源输出，使用时应在输出回路中串入采样电阻。由于设定的最大测量的交流电流为10A，根据变比可算得输出电流为5mA，又根据后面连接的电能表芯片CS5460要求的电压范围为250mV，故将电阻阻值定为50Ω。

本实施例中，所述电源模块包括一个三端稳压器和相关电路，该电源模块用于将220V交流电转变为+5V和+3.3V直流电，其中所述的三端稳压器采用型号为LM7805的三端稳压器。所述的电源模块采用全波桥式整流，和π型RC滤波。

本实施例中，所述三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，是能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。因为要输出5V的电压，所以选用7805，LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，如几秒钟的时间，输出端对地短路并不会使7805烧坏。三端稳压器后面接一个电容，这个电容有滤波和阻尼作用。

本实施例中，所述的智能家居用电监控装置可单独使用，也可作为一个STA接入到无线AP中，除此之外本模块亦可作为无线AP供STA接入。

本发明的使用过程是：

应用所述的智能家居用电监控装置的功耗检测方法，包括如下步骤(如图14所示)：

步骤1：中断服务关闭；

步骤2：硬件初始化；

步骤3：软件初始化；

步骤4：中断服务开启；

步骤5：数据采集程序工作；

步骤6：瞬时值有效值采集程序工作；

步骤7：电能计算程序工作；

步骤8：网络通信程序工作；

步骤9：等待定时器再次中断后重复步骤5-步骤9。

本实施例中，所述步骤1中(如图18所示)，中断服务程序应将采样的中断置于最高优先级，因为采样的时间间隔必须是准确的，如果在按键中断高于采样中断，那么在同时响应的时候。采样中断延后处理会使计时器不能连续计时，对其它电量参数虽然并无多大影响，但是对电能的计算影响却相当大。

采样中断为内部定时器中断。当响应中断时，该中断程序会先将相应中断标志位清0，然后给定时器重装初值，重新启动定时器。之后会用长转移指令将程序转到主程序的数据采集模块。

采样中断程序中初值的计算：单片机的时钟频率为12MHz，则定时器进行一次计数的时间为1us。要定时5/3ms，采用方式1。初值的计算公式为

TC＝2¹⁶-5/3ms/1us

若要考虑到中断程序执行时所用的时间，则还应再减去中断程序的执行机器周期数。因为此段时间非常短，可以忽略不计。

本实施例中，所述步骤5中(如图15所示)，以固定的采样周期分别对电压的输入信号和电流的输入信号进行循环采集，每路信号每个采样周期内采集12次，每个采样周期后新的瞬态功率值分别存入RMS电压寄存器和RMS电流寄存器，12个为一组，该组内的累加和用于计算存放组能量寄存器。本步骤需要预先在初始化中设定一个值为1的临时变量a与值为12的变量b(周期计数寄存器N值)，程序先将变量a的值赋给P1口。然后对信号采样12次，由变量b来控制次数。当b的值减为0时，b重置12，然后将a值减1为0，再重新给它赋值1。

本实施例中，所述步骤6中(如图16所示)，CS5460A首先测量瞬态电流和瞬态电压，由此计算出相应的瞬时功率以及有功能量、电压有效值和电流有效值的周期计算值。各电量参数的计算是在一个采样周期完成以后，即采样电路电信号连续采样12个点后。此时芯片利用12个采样点进行相应的计算。

本实施例中，所述步骤7中(如图17所示)，同相的电能需要间隔6个采样周期才可以再次计算。所以可能存在比较大的误差，但是，考虑到本设计的适用范围为民用的电网，在6个周期即0.12s的时间里电网的参数不会有什么大的波动。误差也在可以接受的范围之内。本算法假设在6个采样周期的时间0.12s里，有功功率是保持恒定不变的。电能的计算比较麻烦，它需要先读取上一次的电能累积值，然后加上此次计算的电能变化量。为此，本设计将其存储区域设在单片机芯片的RAM中。

本实施例中，具有查看电压或电流的功能，由两个按键KEY1和KEY2控制。首先要判断是否有减按下，如果的确有键按下，例如KEY1，选通模拟通道，单片机通过P2.7口发出启动转换信号，转换结束，将数据从CS5460中读取送入单片机中进行标度转换和拆数等运算，并传送至WIFI模块。

标度转换的目的是要把实际采样的二进制转换成BCD形式的电量值，然后存放到显示缓冲区。

一般按键在按下的时候有抖动的问题，即键的簧片会有轻微的弹跳，需要经过一个短暂的时间才会可靠的接触。若在簧片抖动时惊醒扫描就可能得到不正确的结果。因此，在程序中需要考虑到防抖动的问题。最简单的办法是在检测到有键按下时，延时一段时间再次检测看是否有键按下，这个可以通过调用子程序来解决。

Claims (8)

1.一种智能家居用电监控装置，该装置安装在开关插座内，其特征在于：包括MCU控制芯片、继电器控制模块和功耗检测模块，所述功耗检测模块的信号输出端与MCU控制芯片连接，MCU控制芯片和继电器控制模块的控制端连接，所述功耗检测模块与外部的家用电器连接，用于采集并检测家用电器的电压和电流，所述继电器控制模块经继电器连接外部的家用电器，用于控制继电器是否导通，所述监控装置内还安装有电源模块为该监控装置内的所述模块进行供电。

2.根据权利要求1所述的一种智能家居用电监控装置，其特征在于：所述MCU控制芯片的接口还连接有报警模块和控制按钮，并分别与WIFI模块和SD卡接口双向连接，其中WIFI模块通过网络分别与外部的移动终端和数据服务器实现数据双向互通，所述监控装置内还安装有电源模块为该监控装置内的所述模块进行供电；所述MCU控制芯片采用STC90C51RD+单片机及其外围电路，该外围电路分别包括复位电路、晶振电路、按键电路、蜂鸣器电路、wifi连接电路、SD卡连接电路。

3.根据权利要求1所述的一种智能家居用电监控装置，其特征在于：所述功耗检测模块包括电流互感器、电压互感器、CS5460及其外围电路，其中，电流互感器采用DL-CT1005A型精密交流电流采样器，通过去耦电容和电阻网络形成电流采样电路，220V的N线按照电流互感器产品说明上的输入信号方向穿过互感器，输出回路中串入采样电阻与CS5460及其外围电路连接；其中，电流互感器采用DL-PT202D型精密电压互感器，电压采样电路接入外部限流电阻，其输出端需次级跨接采样电阻与CS5460及其外围电路连接。

4.根据权利要求1所述的一种智能家居用电监控装置，其特征在于：所述电源模块包括一个三端稳压器和相关电路，该电源模块用于将220V交流电转变为+5V和+3.3V直流电，其中所述的三端稳压器采用型号为LM7805的三端稳压器。

5.应用权利要求1-4中任一所述的智能家居用电监控装置的功耗检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：中断服务关闭；

步骤2：硬件初始化；

步骤3：软件初始化；

步骤4：中断服务开启；

步骤5：数据采集程序工作；

步骤6：瞬时值有效值采集程序工作；

步骤7：电能计算程序工作；

步骤8：网络通信程序工作；

步骤9：等待定时器再次中断后重复步骤5-步骤9。

6.根据权利要求6所述的智能家居用电监控装置的功耗检测方法，其特征在于：所述步骤5中，以固定的采样周期分别对电压的输入信号和电流的输入信号进行循环采集，每路信号每个采样周期内采集12次，每个采样周期后新的瞬态功率值分别存入RMS电压寄存器和RMS电流寄存器，12个为一组，该组内的累加和用于计算存放组能量寄存器。

7.根据权利要求6所述的智能家居用电监控装置的功耗检测方法，其特征在于：所述步骤6中，首先测量瞬态电流和瞬态电压，由此计算出相应的瞬时功率以及有功能量、电压有效值和电流有效值的周期计算值。

8.根据权利要求6所述的智能家居用电监控装置的功耗检测方法，其特征在于：所述步骤7中，首先检测是否为电压信号，如是则读取相应电能值，后与电能变量相加，最后重新存储该相新电能，其中所述电能值的存储区域设置在MCU控制芯片的RAM中。

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