面向家庭局域網設備的新型架構

摘要：在配備了能源利用領域的最新技術成果之后，家庭局域網(HAN／開始準備取代傳統的家電生態系統。本文介紹了HAN設備體系架構。該架構不僅與家庭局域網無縫集成，還可以充當低成本的電表，監控電氣設備的電能消耗和運行。

關鍵詞：家庭局域網；HAN；智能電表；微控制器

隨著能源生產成本的飛速上漲，能源消耗流程的效率變得越來越重要。這在電氣設備制造和電能計量基礎設施領域引發了一場革命。家庭局域網(HAN)是一種先進的電氣生態系統，在這個生態系統中，智能電表和LAN設備通過相互通信來控制電能消耗情況。在HAN生態系統中，一個基本的HAN設備與電表之間建立一條雙向通信鏈路，還可選擇與其他HAN設備建立雙向通信鏈路：共享所連設備的電能消耗數據，”還接收指令將未使用的設備關閉或置于休眠狀態。以下部分詳細介紹了基本HAN設備架構的某些增強特性：這些特性擴展了它的功能并豐富了特性集。

架構概述

HAN可以被視為一種智能電源插座，一端連接普通的電源插座，另一端提供可插拔的連接接口，用于連接微波爐和空調等家用電器。它可以由電表通過RF(射頻)等無線接口或電線通信(如HomePlug)等有線接口直接控制。另外，其固件可以由電表通過RF／PLC接口升級。在LCD上，它可以顯示設備的各種能源參數。它還支持電池備份選項，可以不間斷地顯示時間和日期。圖1顯示了HAN設備的應用圖。

HAN設備包括以下組件：

1 一個微控制器：

2 230V至3.3V轉換器：

3 繼電器：

4 信號調節電路：

5 IK接口(同時支持發送和接收)；

6 LCD面板：

7 RF／電線通信PHY。

圖2所示為以上組件的方框圖。

HAN設備的重要組件

微控制器

微控制器／片上系統在設備運行時扮演重要角色。除了控制其他組件，它還在其內部閃存中存儲應用固件。為了支持HAN設備的各種功能，微控制器應具有以下特性：

1 低功耗處理內核，能夠執行能耗計算所需的復雜算術運算：

2 RF PHY通信接口，或用于電線通信PHY的相應接口(如果使用的話)；

3 片上閃存和SRAM，用于存儲應用固件和加快運算：

4 LCDN示器的LCD驅動：

5 UAKT等接口，可以支持紅外通信：

6 具有可編程增益放大器(PGA)的高分辨mADc，用于電壓和電流測量：

7 用于驅動繼電器的I／O端口：

8 用于計時的實時計數器。

微控制器通過信號調節電路和ADC、PGA感應電壓和電流，計算一段時間內(可以是一個月或更長)的RaMS(均方根)電壓和電流值、瞬時電量消耗和總耗電量。然后，它通過RF或電線通信PHY將該數據發送至電表，并將其顯示在LCD中。當收到命令關閉設備時，它將在其I／O端口上驅動相應的邏輯以運行繼電器。微控制器通過230V-3.3V轉換器由電源線供電。該轉換器可以根據微控制器的工作電壓進行適當配置。片上閃存固件可以通過電表的RF或PLC接口更新。協議和固件更新的準確細節將取決于具體的實施。

信號調節

信號調節單元有一個模擬前端用于電壓和電流測量。線路電壓首先通過梯形電阻器下調，然后進行測量，其后的Dc過濾和Dc偏置也采用相同方式。與電壓測量相比，電流測量所涉比較少。首先，線路電流使用電流轉換器調低，然后通過低阻值的高精度分流電阻傳輸。整個分流電阻的電壓降可測量出線路電流。因為該電壓降非常小，所以必須進行適當地放大才能饋送至ADC。該放大器包括可設置的增益層級，可僅放大AC組件：從而防止放大器輸出飽和。

紅外線接口

紅外線接口可以根據范圍和功耗進行適當配置。該接口為HAN設備提供了遠程配置支持。它使用戶可以遠程打開／關閉與HAN設備連接的家電。協議和運行的具體細節可以針對特定實施靈活選擇。

LCD面板

LCD面板顯示以下參數：瞬時能耗；上月／當月的總能耗；當日的日期和時間；RMS電壓；RMS電流。

LCD面板提供了一些電表顯示內容：因此可以作為低精確度智能AC電表使用。小結

總之，以上架構概念化了經濟高效且用途極為廣泛的HAN設備，它包含所有關鍵的HAN設備特性，并支持多種高級特性，例如固件升級和通過RF／PLC接口全面地控制家電：另外還可以作為低成本智能AC電表使用，提供24小時家電能耗詳細信息。盡管本文將其描述為獨立的智能電源插座，它也可以在家電內部實施。