TWI825753B - 無線交流電力監測模組及方法 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種無線交流電力監測模組及方法,其係主要運用一款ATMega 328MCU微控制器晶片整合類比電氣訊號輸出的交流電壓、交流電流之感測器,利用感知的交流電壓與電流大小同時提供電壓、電流、功率、電量或/及功率因子之交流電氣參數資料,再經UART:Tx/Rx序列通訊介面傳送給WeMos D1 mini WiFi之無線通信單元進行網路轉發,相較於習式無線交流電力監測模組,具有通訊距離較遠、感測器可一對多並聯的優點。
Description
本發明涉及一種電力監測領域,尤指無線交流電力監測之技術範疇。
按,電壓感測器與電流感測器是電力系統量測電壓、電流、功率(electric power)、電量(electric energy)及功率因子(power factor,簡稱pf)等交流電氣參數的基本單元,請參閱圖1所示,「交流電壓感測器11」係運用電氣隔離的降壓器(step-down transformer)或整流器(rectifier)將較高的交流電電壓轉換成較低的直流電壓,經後端電氣訊號轉換成可以讀取直流電氣訊號;而「交流電流感測器12」則運用電流比流器(current transformer,CT)線圈或CT晶片,經霍爾效應(Hall effect)轉換成等比例、較低的電流,再由後端電氣訊號轉換成可以讀取直流電氣訊號。
為了有效量測或監測交流電源的電壓、電流、功率、電量或/及功率因子(pf)等交流電氣參數,該交流電壓感測器11與該交流電流感測器12必須先整合共同讀取電壓及電流的大小,再經功率、電量或/及功率因子(pf)數學公式經軟體程式去計算得到;具備感知電壓、電流、功率、電量或/及功率因子(pf)功能的交流電氣感測模組,再由一無線通訊模組直接整合成一無線交流電力監測模組。
回顧現有國內無線交流電力監測技術文獻(一)至文獻(五),主要的技術都是利用「電壓感測器」與「電流感測器」個別的類比電氣訊號直接與具
備微控器(MCU)的訊號處理模組(如Arduino UNO)、無線模組(如Bluetooth,WiFi,ZigBee,RoLa,GPRS/3G/4G)整合成一組無線交流電力監測,技術比較表如底下表1所示:
經由上述表1可以得知,目前均無以微控制器晶片整合電壓、電流感測器開發具I2C(inter-integrated circuit)介面的數位通用能源記錄器(DUEL),提供多個感測模組整合介面,來提升感測資料有效後送的能量;若是有的話,通常其技術通訊距離短。
備註:文獻(一):賴佳瑋、洪敏雄,"基於雲端運算之無線電力監控系統設計與實作",2012彰雲嘉大學校院聯盟學術研討會,民國101年12月7日,第1-11頁。
文獻(二):蔡明韋,"家庭能源管理系統平台開發與設計",國立台北科技大學自動化科技研究所,民國101年6月。
文獻(三):王明志,"電力能源監控系統之規劃與設計",國立台北科技大學化學工程研究所,民國103年7月。
文獻(四):夏傳詠,"遠端電力監測系統",南台科技大學電機工程系碩士班,民國106年6月。
文獻(五):汪佳達,"以LabVIEW為基礎之電力監控系統研製",東南科技大學電機工程系碩士班,民國110年7月。
緣此,鑑於現代隨著交流電壓、交流電流之感測元件的效能提升,具備較遠傳輸距離的「通用非同步收發傳輸器」(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)序列通訊技術更適合於電能產業的電力監測應用,於是本發人乃窮極心思開發出本發明無線交流電力監測模組及方法,故本發明之主要目的在於:提供通信距離較長、感測資料後送能量較高的一種無線交流電力監測模組及方法;本發明之次要目的在於:提供自主式的一種無線交流電力監測模組。
本發明無線交流電力監測模組為達上述目的,運用如下技術手段,係提供外接於一交流電源,其包含有:一交流電力監測單元,係包含有一交流電壓感測器、一交流電流感測器、一八位元微控制器及一第一通用非同步收發傳輸介面;其中該交流電壓感測器係設一端點並聯於該交流電源,且該交流電流感測器係設另一端點串聯於該交流電源;而該八位元微控制器係電性連接該交流電壓感測器與該交流電壓感測器,並接收其交流電壓、電流之類比訊號,又該八位元微控制器會自動計算出該交流電源之電壓、電流、功率、電量及功率因子之交流電氣參數資料;另該第一通用非同步收發傳輸介面設有一發送器與一接收器;一無線通信單元,係亦設有一第二通用非同步收發傳輸介面的一接收器與一發送器,且該第二通用非同步收發傳輸介面電性連接該第一通用非同
步收發傳輸介面,據以提供轉發交流電氣參數資料給一伺服器或一雲端資訊平台;及一交流轉直流整流器,係將該交流電源轉換成一直流電源並提供該直流電力給該交流電力監測單元與該無線通信單元;藉由該交流電力監測單元與其它交流電力監測單元進行並聯來提供一對多的交流電氣參數資料之傳輸與收集。
所述該無線交流電力監測模組,其中該八位元微控制器內設一程式軟體的數學公式以計算出交流電源之電壓、電流、功率、電量及功率因子之交流電氣參數資料。
所述該無線交流電力監測模組,其中該無線交流電力監測模組另包含一顯示介面,而該顯示介面則提供接設一LCD顯示單元。
所述該無線交流電力監測模組,其中該無線通信單元係設為使用WiFi無線通信技術。
所述該無線交流電力監測模組,其中該八位元微控制器係使用ATMega 328晶片。
關於本發明無線交流電力監測方法,係提供數個交流電力監測單元外接於一交流電源,其包含有:一交流電壓與電流檢知步驟,係由該數個交流電力監測單元的數個感測器分別檢知出相應的交流電源的電壓與電流的類比訊號;一交流電氣參數計算步驟,係將檢知出交流電源的電壓與電流值經過相應的一微控制器的計算,得到相應的交流電源的電壓、電流、功率、電量及功率因子之電氣參數資料;一交流電氣參數資料之傳輸步驟,係將該相應的交流電的電氣參數資料經由一第一通用非同步收發傳輸介面以一對多方式來進行傳輸;及一無線通信單元之轉發步驟,係設一無線通信單元所設一第二通用非同步收
發傳輸介面接收該第一通用非同步收發傳輸介面所傳來的交流電氣參數資料並轉發至一伺服器或一雲端資訊平台。
所述該無線交流電力監測方法,其中該交流電氣參數計算步驟中係在該八位元微控制器內設一程式軟體的數學公式以計算出交流電源之電壓、電流、功率、電量及功率因子之交流電氣參數資料。
所述該無線交流電力監測方法,其中該無線交流電力監測方法係設一交流轉直流之整流步驟,以將該交流電源轉換成一直流電源並提供該直流電力給該數個感測器、該八位元微控制器、該第一通用非同步收發傳輸介面與該無線通信單元。
所述該無線交流電力監測方法,其中該無線通信單元之轉發步驟係設為使用WiFi無線通信技術。
本發明運用上述技術手段,可以達到如下功效:
1.本發明係主要運用ATMega 328MCU微控制器晶片整合類比電氣訊號輸出的交流電壓感測器、交流電流之感測器,利用感知的交流電壓與電流大小同時提供電壓、電流、功率、電量及功率因子之交流電氣參數資料,再經由UART:Tx/Rx之序列通訊介面傳送給該無線通信單元,即WeMos D1 mini WiFi模組或其它WiFi無線通訊網路轉發,相較於習式無線交流電力監測模組,具有通訊距離遠、感測器一對多並聯及較高的資料後送能量的優點。
2.本發明係使用該交流轉直流整流器,讓本發明無線交流電力監測模組具有自主電源,可免除時常更換電池等維護之麻煩。
A:無線交流電力監測模組
1:交流電力監測單元
11:交流電壓感測器
12:交流電流感測器
13:微控制器
14:第一通用非同步收發傳輸介面
15:顯示介面
16:LCD顯示單元
2:無線通信單元
21:第二通用非同步收發傳輸介面
3:交流轉直流整流器
B:無線交流電力監測方法
a:交流電壓與電流檢知步驟
b:交流電氣參數計算步驟
c:交流電氣參數資料之傳輸步驟
d:無線通信單元之轉發步驟
e:交流轉直流整流步驟
〔圖1〕一般「電壓感測器」及「電流感測器」之電路架構圖。
〔圖2〕本發明具有UART傳輸介面的「交流電力監測單元」之方塊架構圖。
〔圖3〕本發明「無線交流電力監測模組」之硬體架構圖。
〔圖4〕本發明「無線交流電力監測方法」之步驟流程圖。
〔圖5〕本發明「無線交流電力監測模組」之工作流程圖。
〔圖6〕本發明「無線交流電力監測模組」的一對多並聯模式圖。
請參閱圖1至圖3所示,本發明無線交流電力監測模組A首先運用ATMega 328 MCU微控制器13晶片整合一交流電壓感測器11、一交流電流感測器12,經由類比電氣訊號的讀取交流電電壓、交流電電流大小轉換成交流電的電壓、電流、功率、電量及功率因子(pf)等交流電氣之參數資料,而該等交流電氣之參數資料可經由本發明模組所設一顯示介面15輸出至其所設一LCD顯示單元16。
本發明另採用內建具備較遠傳輸距離的一第一通用非同步收發傳輸介面14(簡稱UART傳輸介面)的序列通訊介面輸出來共同組成如圖2的一組具備UART傳輸介面的一交流電力監測單元1;最後,整合一交流轉直流整流器3(AC/DC rectifier)與具備Tx/Rx介面的該交流電力監測單元1與具一第二通用非同步收發傳輸介面21的無線通訊模組2,組成如圖3的一無線交流電力監測模組A,即為本發明「無線交流電力監測模組A」之架構。茲再將本發明「無線交流電力監測模組A」的工作原理詳細說明如後。
關於本發明的交流電力監測工作模式:請參閱圖1第(a)圖所示,其中該交流電壓感測器11係將一電壓轉換器(Voltage transducer)運用光電耦連原理將初級電路(Primary circuit)高電壓的電壓大小→轉換成光強度→次級電路(Secondary circuit)的光接收器將光的強度按比例轉換成低電壓的電壓與電流大小,並以利實現量測儀表、保護設備及自動控制設備的標準化、小型化,運用光電電氣隔離(Photoelectricity galvanic isolation)隔開高電壓系統,實現標準化、小型化量測儀表,確保人員和設備的安全。
請參閱圖1第(b)圖所示,而該交流電流感測器12係運用初級電路(Primary circuit)高電壓的電流流經銅傳導電路→產生磁場→次級電路(Secondary circuit)的霍爾(Hall IC)將霍爾效應所產生的磁場強度按比例轉換成低電壓的電壓大小,如符合業界準高準確度、成本效益比佳的ACS712電流感測器,最大輸入電流大小:5/20/30AAC,輸出電壓:0-5VDC,精準度:±1.5%@TAmb=25℃。
所量測到的交流電電壓、電流大小可表示成VAC(t)=Vmax COS(ωt+θV)和iAC(t)=ImaxCOS(ωt+θi);其中Vmax、Imax分別為電壓、電流的最大值,ω=2πf為交流電的頻率,而θV、θi分別為電壓、電流的相位角。其相對的功率及平均功率大小為如底下[數學式1]和[數學式2]所示:
已知,其中RMS為交流訊號的均方根(Root mean square,RMS)值,則交流電的平均功率可以表示成P Ave=V RMS I RMS cos(θ v -θ i );接著電量的大小可表示成e AC(t)=ʃp AC(t)dt;最後,交流電的電力品質可以用功率因子(pf)表示,因為其定義為是一負載所消耗的有效功率與其視在功率(Apparent power)的比值,可以表示成如底下[數學式3]:
其中I RMS V RMS為視在功率(單位:VA)。由上面推導可以得知,交流電源的電氣參數可以經由電壓、電流的量測,進而得到功率、電量及功率因子的資料。最後,感知並經該微控制器13內設一程式軟體的上述數學公式以計算出該交流電源的電壓、電流、功率、電量及功率因子之交流電氣參數資料由Tx/Rx序列通訊介面輸出,如圖2所示。
關於本發明無線交流電力監測工作模式:本發明「無線交流電力監測模組A」運用一般具備UART/I2C/SPI序列通介面的WiFi模組(如WeMos D1 mini)Tx/Rx介面、供應模組工作電源的該交流轉直流整流器3整合成一自主的無線交流電力監測模組A;工作時,僅需將交流電源與本發明無線交流電力監測模組的交流電壓感測端並聯、交流電流感測端串聯,並聯的電壓端提供交流轉直流整流器3輸出5VDC直流電源提供該交流電力監測單元1、WeMos D1 mini WiFi之無線通信單元2工作所需電源,交流電力監測單元1工作所需直流電源
也可由WeMos D1 mini WiFi之無線通信單元2同時提供,交流電力監測單元1感知的電壓、電流、功率、電量及功率因子之交流電氣參數資料經由Tx/Rx序列通訊介面輸出,傳送給WeMos D1 mini WiFi之無線通信單元2自動轉發,經由場域WiFi通訊網路傳送到指定資料接伺服器或雲端資訊平台,配接線路如圖3所示。
因此,歸納上述說明,可得本發明無線交流電力監測方法,如圖3及圖4所示,係提供外接於一交流電源,其包含有:一交流電壓與電流檢知步驟a,係由數個感測器檢知出該交流電源的電壓與電流的類比訊號;一交流電氣參數計算步驟b,係將檢知出交流電源的電壓與電流的類比訊號經過一微控制器13所內設一程式軟體的數學公式的計算,得到該交流電源的電壓、電流、功率、電量及功率因子之電氣參數資料;一交流電氣參數資料之傳輸步驟c,係將該交流電的電氣參數資料經由一第一通用非同步收發傳輸介面14來進行傳輸;一無線通信單元之轉發步驟d,係設具一第二通用非同步收發傳輸介面21的一無線通訊模組無線通信單元2接收該第一通用非同步收發傳輸介面14所傳來的交流電氣參數資料並轉發至一伺服器或一雲端資訊平台;或/及一交流轉直流之整流步驟e,以將該交流電源轉換成一直流電源並提供該直流電力給該數個感測器、該微控制器13、該第一通用非同步收發傳輸介面14與該無線通信單元2,其中該無線通信單元2設為使用WiFi無線通信技術。
請參閱圖5所示,關於本發明「無線交流電力監測模組」的工作流程:交流電力監測單元1的電壓、電流感測器感知交流電的電壓、電流大小→計算瞬間功率、累積電量及功率因子→經Tx/Rx介面傳送電壓、電流、功率、電量及功率因子資料給WeMos D1 miniWiFi之無線通信單元2→由WeMos D1
miniWiFi之無線通信單元2經WiFi無線通訊網路轉發至一伺服器或一雲端資訊平台。
因此,本發明「無線交流電力監測模組」採用UART:Tx/Rx序列通訊介面,具備通訊距離較遠、同時一對多的感測器Tx/Rx介面並聯連接及較高的資料後送能量等優點,如圖6所示,對電力能源產業的交流電力監測應用實務是非常重要,極具商品化、產業化的價值。
綜上所述,本發明係關於一種「無線交流電力監測模組及方法」,且其構成模組、方法均未曾見於諸書刊或公開使用,誠符合專利申請要件,懇請 鈞局明鑑,早日准予專利,至為感禱;需陳明者,以上所述乃是本發明之具體實施例及其所運用之技術原理,若依本發明之構想所作之改變,其所產生之功能作用仍未超出說明書及圖式所涵蓋之精神時,均應在本發明之專利範圍內,合予陳明。
A:無線交流電力監測模組
1:交流電力監測單元
13:微控制器
14:第一通用非同步收發傳輸介面
2:無線通信單元
21:第二通用非同步收發傳輸介面
3:交流轉直流整流器
Claims (9)
- 一種無線交流電力監測模組,係提供外接於一交流電源,其包含有:一交流電力監測單元,係包含有一交流電壓感測器、一交流電流感測器、一八位元微控制器及一第一通用非同步收發傳輸介面;其中該交流電壓感測器係設一端點並聯於該交流電源,且該交流電流感測器係設另一端點串聯於該交流電源;而該八位元微控制器係電性連接該交流電壓感測器與該交流電壓感測器,並接收其交流電壓、電流之類比訊號,又該八位元微控制器會自動計算出該交流電源之電壓、電流、功率、電量及功率因子之交流電氣參數資料;另該第一通用非同步收發傳輸介面設有一發送器與一接收器;一無線通信單元,係亦設有一第二通用非同步收發傳輸介面的一接收器與一發送器分別電性連接該第一通用非同步收發傳輸介面的發送器與接收器,據以提供轉發交流電氣參數資料給一伺服器或一雲端資訊平台;及一交流轉直流整流器,係將該交流電源轉換成一直流電源並提供該直流電力給該交流電力監測單元與該無線通信單元;藉由該交流電力監測單元與其它交流電力監測單元進行並聯來提供一對多的交流電氣參數資料之傳輸與收集。
- 如請求項1所述無線交流電力監測模組,其中該八位元微控制器內設一程式軟體的數學公式以計算出交流電源之電壓、電流、功率、電量及功率因子之交流電氣參數資料。
- 如請求項1所述無線交流電力監測模組,其中該無線交流電力監測模組另包含一顯示介面,而該顯示介面則提供接設一LCD顯示單元。
- 如請求項1所述無線交流電力監測模組,其中該無線通信單元係設為使用WiFi無線通信技術。
- 如請求項1所述無線交流電力監測模組,其中該八位元微控制器係使用ATMega 328晶片。
- 一種無線交流電力監測方法,係提供數個交流電力監測單元外接於一交流電源,其包含有:一交流電壓與電流檢知步驟,係由該數個交流電力監測單元的數個感測器分別檢知出相應的交流電源的電壓與電流的類比訊號;一交流電氣參數計算步驟,係將檢知出交流電源的電壓與電流值經過相應的一八位元微控制器的計算,得到相應的交流電源的電壓、電流、功率、電量及功率因子之電氣參數資料;一交流電氣參數資料之傳輸步驟,係將該相應的交流電的電氣參數資料經由一第一通用非同步收發傳輸介面以一對多方式來進行傳輸;及一無線通信單元之轉發步驟,係設一無線通信單元所設一第二通用非同步收發傳輸介面接收該第一通用非同步收發傳輸介面所傳來的交流電氣參數資料並轉發至一伺服器或一雲端資訊平台。
- 如請求項6所述無線交流電力監測方法,其中該交流電氣參數計算步驟中係在該八位元微控制器內設一程式軟體的數學公式以計算出交流電源之電壓、電流、功率、電量及功率因子之交流電氣參數資料。
- 如請求項6所述無線交流電力監測方法,其中該無線交流電力監測方法係設一交流轉直流之整流步驟,以將該交流電源轉換成一直流電源並提 供該直流電力給該數個感測器、該八位元微控制器、該第一通用非同步收發傳輸介面與該無線通信單元。
- 如請求項6所述無線交流電力監測方法,其中該無線通信單元之轉發步驟係設為使用WiFi無線通信技術。
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