智能計(jì)量與開(kāi)關(guān)控制插座的控制設(shè)計(jì)※

唐俊，張忠明，譚永東，高鵬

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031）

1 研究背景及意義

家庭能量管理系統(tǒng)（Home Energy Management System，HEMS）是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)、電子微電子技術(shù)，滿足個(gè)性需求的新科技系統(tǒng)［1]。智能插座是家庭能量管理系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，它是實(shí)現(xiàn)家庭能源管理的重要手段和途徑。本文設(shè)計(jì)的智能計(jì)量與開(kāi)關(guān)控制插座是西南交通大學(xué)2011年國(guó)家創(chuàng)新項(xiàng)目“家庭能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)”中的重要組成部分。該系統(tǒng)由智能手表、控制終端LM3S9B96、再生發(fā)電部分以及本文設(shè)計(jì)的智能插座組成。該項(xiàng)目于2012年11月結(jié)題，通過(guò)驗(yàn)收。

2 智能計(jì)量與開(kāi)關(guān)控制插座的硬件選型

本文設(shè)計(jì)的智能計(jì)量與開(kāi)關(guān)控制插座由三部分組成：計(jì)量插座模塊、無(wú)線模塊以及繼電控制模塊。智能計(jì)量與開(kāi)關(guān)控制插座可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的電氣信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能計(jì)量的管理以及對(duì)電源的遠(yuǎn)程開(kāi)斷控制。

2.1 計(jì)量插座模塊

計(jì)量插座采用的是TI公司的LSDIS02RS1CS智能計(jì)量插座，其主控芯片為MSP430AFE253。MSP430系列單片機(jī)：處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、單片機(jī)內(nèi)部資源豐富、開(kāi)發(fā)環(huán)境高效［5]。

2.2 無(wú)線模塊

無(wú)線模塊采用TI公司的CC430單片機(jī)，其內(nèi)核為CC430F5137芯片，使用EZ430－RF5137開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

開(kāi)發(fā)過(guò)程中外部連接主要用到P1.6－TX（5號(hào)引腳）、P1.5－RX（6號(hào)引腳）、AVCC（45引腳）、AVSS（42引腳，即GND）和P1.0（13號(hào)引腳）。其中，P1.6－TX、P1.5－RX用作串口傳輸；P1.0用于開(kāi)關(guān)控制輸出；AVCC供電使用，AVSS接地。

2.3 繼電控制模塊

繼電控制電路如圖1所示。光耦采用PC817型號(hào)，繼電器采用ZHNQI Q3F－1Z，VCC工作電壓采用9V的直流電源，圖中插腳（CHA JIAO）是為計(jì)量插座準(zhǔn)備的，I／O接口與無(wú)線模塊的P1.0引腳相連。

具體的工作過(guò)程如下：當(dāng)無(wú)線模塊收到上層控制終端的斷開(kāi)電源命令，其P1.0引腳輸出高電平，光耦P817導(dǎo)通，繼電器兩端得到電壓，達(dá)到啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的電流，繼電器動(dòng)作，開(kāi)關(guān)打到3引腳，220V側(cè)電源斷開(kāi)，插座停止工作。其中繼電器的默認(rèn)狀態(tài)為常閉狀態(tài)，I／O接口電壓默認(rèn)為低電壓（為0）。

圖1 繼電控制電路

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持略——編者注。

3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

3.1 自定義通信協(xié)議設(shè)計(jì)

自定義了外部通信協(xié)議，它是參照101協(xié)議進(jìn)行定義的。

3.1.1 插座與終端的數(shù)據(jù)交換

智能計(jì)量與開(kāi)關(guān)控制插座所涉及的數(shù)據(jù)類型具體如表1所列。

表1 插座數(shù)據(jù)設(shè)定

3.1.2 報(bào)文格式

報(bào)文由啟動(dòng)字符（68H）、應(yīng)用層公共地址（1個(gè)字節(jié)）、類型標(biāo)識(shí)（1個(gè)字節(jié)）、數(shù)量限定詞（1個(gè)字節(jié)）、信息體地址（2個(gè)字節(jié)）、信息體元素（2個(gè)字節(jié)）和結(jié)束字符（16H）構(gòu)成。下面對(duì)各部分具體的情況作簡(jiǎn)要介紹。

（1）應(yīng)用層公共地址

公共地址是子站的標(biāo)識(shí)。主站下發(fā)的報(bào)文中，標(biāo)識(shí)接收站；子站上傳時(shí)，標(biāo)識(shí)發(fā)送站。鏈路地址域占1個(gè)字節(jié)。詳細(xì)的地址如表2所列。

注意：當(dāng)傳送數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)據(jù)為08H時(shí)代表發(fā)送端向其余所有終端發(fā)送數(shù)據(jù)（指令），即每一個(gè)終端除了01H～06H的地址外，自身還附帶08H的地址，例如02H和08H均代表智能開(kāi)關(guān)（1）。

表2 應(yīng)用層地址

（2）類型標(biāo)識(shí)

類型標(biāo)識(shí)的意思是當(dāng)發(fā)送命令時(shí)，對(duì)該串指令到底是讓對(duì)象做什么的一種解釋、說(shuō)明。類型標(biāo)識(shí)說(shuō)明略——編者注。

（3）數(shù)量限定詞

數(shù)量限定詞的作用在于說(shuō)明傳輸信息體中元素（數(shù)據(jù)）的個(gè)數(shù)。

（4）信息體地址

信息體的地址是用來(lái)表明數(shù)據(jù)類型的。詳細(xì)的地址略——編者注。

3.1.3 無(wú)線模塊與終端的基本對(duì)話過(guò)程

協(xié)議的基本對(duì)話過(guò)程有：初始化、數(shù)據(jù)傳輸以及遠(yuǎn)程遙控。

（1）初始化

當(dāng)主站啟動(dòng)或通信中斷后，主站發(fā)出“請(qǐng)求激活”指令，等待與子站建立通信聯(lián)系。子站在接收到指令后，跳出睡眠模式，向主站發(fā)送“激活確認(rèn)”指令。例程如下：

①?gòu)V播激活：（只能由LM3s9B96實(shí)現(xiàn)）

M－＞R：68 08 01 00 16

R－＞M：68 01 02 00 16

②點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激活智能開(kāi)關(guān)：

（2）數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)智能計(jì)量與開(kāi)關(guān)控制插座接收到來(lái)自上層的數(shù)據(jù)讀取指令時(shí)，插座將當(dāng)前的電壓、電流等用電信息發(fā)送給上層。此處的上層既可以是LM3s9B96的控制終端，也可以是遙控的手表。例程如下：

LM3S9B96：M－＞R：68 02 03 00 16 R－＞M：68 01 04 02 01 10 30 23 02 10 05 00 16

LM3S9B96向插座請(qǐng)求數(shù)據(jù)，插座回復(fù)兩個(gè)數(shù)據(jù)：電壓（1001）2330／10＝233V，電流（1002）0005／1000＝0.005 A。可以把所有的電參量信息打包后發(fā)送。（手表的讀取命令與之相同，但回復(fù)的地址要變化。）

（3）遠(yuǎn)程遙控

當(dāng)上層給插座發(fā)送開(kāi)關(guān)控制命令時(shí)，插座響應(yīng)該命令，繼電器動(dòng)作，閉合或斷開(kāi)插座，并在動(dòng)作之后發(fā)送確認(rèn)指令。例程如下：

手表向插座發(fā)送斷開(kāi)指令，插座回復(fù)斷開(kāi)確認(rèn)。當(dāng)然，LM3S9B96的控制終端亦可發(fā)送開(kāi)關(guān)控制命令，此時(shí)，回復(fù)的地址就會(huì)發(fā)生變化。

（4）數(shù)據(jù)格式說(shuō)明

開(kāi)關(guān)狀態(tài)（兩個(gè)字節(jié)表示）中0000代表斷開(kāi)；0001代表閉合。電壓、電流、功率測(cè)量量（兩個(gè)字節(jié)表示）只傳輸整數(shù)部分，如220V標(biāo)識(shí)為00 22。功率因數(shù)：傳送小數(shù)點(diǎn)后數(shù)值部分（保留兩位），例如功率因數(shù)為0.8，則傳輸數(shù)據(jù)位8000H。

3.2 計(jì)量插座與無(wú)線模塊傳輸協(xié)議

無(wú)線模塊（其內(nèi)有單片機(jī)）為主站，計(jì)量插座為從站。具體協(xié)議請(qǐng)參照LSDIS02RS1CS智能計(jì)量插座的串口通信協(xié)議。

4 通信軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 寫入無(wú)線模塊的主程序

寫入無(wú)線模塊的主程序主要包括初始化程序、各種中斷服務(wù)程序、通信處理程序和開(kāi)關(guān)控制程序。程序流程圖如圖2所示。說(shuō)明了智能計(jì)量與開(kāi)關(guān)控制插座的整體構(gòu)成和各部分之間的關(guān)系。

圖2 智能計(jì)量與開(kāi)關(guān)控制插座整體框圖

程序的總體流程圖如圖3所示。下文提供了寫入無(wú)線模塊的部分程序。

圖3 程序流程圖

4.1.1 UART串口初始化

初始化的內(nèi)容是定義引腳的作用和功能，確定時(shí)鐘的選擇，以及采用何種波特率進(jìn)行傳輸。該初始化程序定義P1.6、P1.5引腳作為UART的TX、RX使用，確定采用SMCLK（子系統(tǒng)時(shí)鐘）作為UART的時(shí)鐘源，采用9 600 bps作為傳輸?shù)牟ㄌ芈省?/p>

初始化程序如下：

4.1.2 UART串口中斷程序

使用串口中斷程序主要是為了提高收發(fā)速度，使接收和發(fā)送互不影響，達(dá)到全雙工通信效果。同時(shí)，程序不用等待，以最高效率運(yùn)行。該段串口中斷程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)接收時(shí)觸發(fā)中斷，將接收到的數(shù)據(jù)保存到m＿strUart.UartRx－Buf數(shù)組中。中斷程序如下：

無(wú)線通信程序、RS232串口通信略——編者注。

4.2 TI LSDIS02RS1CS型計(jì)量插座內(nèi)部程序解析

LSDIS02RS1CS型號(hào)的計(jì)量插座能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)前電壓、電流、頻率的測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量的值計(jì)算出有功功率等電量值。通過(guò)分析插座的內(nèi)部程序，可以解析得到具體的程序流程，如圖4所示。

通過(guò)對(duì)讀寫程序的解析，并根據(jù)插座與外部通信的協(xié)議，可以通過(guò)串口獲得當(dāng)前用電器的各項(xiàng)用電參量數(shù)值。

圖4 計(jì)量插座內(nèi)部程序流程圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

本文使用IAR Embedded Workbench（簡(jiǎn)稱IAR EW）嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)程序的編譯和運(yùn)行。

本次設(shè)計(jì)的智能計(jì)量與開(kāi)關(guān)控制插座由計(jì)量插座、無(wú)線模塊和繼電器控制部分組成。調(diào)試時(shí)控制終端用PC機(jī)代替，即用USB口連接有無(wú)線模塊的筆記本電腦，由此讀寫程序。智能計(jì)量與開(kāi)關(guān)控制插座的連接情況是計(jì)量插座連接家庭電源電路，將接入繼電器控制的普通插座插入計(jì)量插座，其中無(wú)線模塊和繼電控制電路焊在一塊電路板上，用導(dǎo)線將無(wú)線模塊與計(jì)量插座的RS232口相連，用電器接在普通插座上智能計(jì)量與開(kāi)關(guān)控制插座外觀圖略——編者注。

當(dāng)整個(gè)智能計(jì)量與開(kāi)關(guān)控制插座正常工作時(shí)，插在普通插座上的用電器（白熾燈）正常工作（點(diǎn)亮），且無(wú)線模塊實(shí)時(shí)將用電狀態(tài)反饋給控制終端。當(dāng)無(wú)線模塊收到繼電控制信號(hào)后，插座的無(wú)線模塊的P1.0端口（引腳）輸出高電平，繼電器動(dòng)作，斷開(kāi)電源，普通插座斷電。但計(jì)量插座與無(wú)線模塊仍能繼續(xù)工作。

在調(diào)試過(guò)程中，可以在筆記本電腦上使用串口調(diào)試精靈查看接收和發(fā)送的結(jié)果，并與計(jì)量插座監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)比對(duì)，進(jìn)行程序修正。

總 語(yǔ)

本文硬件采用MSP430AFE253、CC430F5137分別作為計(jì)量插座和無(wú)線模塊的主控芯片并對(duì)繼電控制模塊的電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，信息的傳輸采用RS232和無(wú)線射頻技術(shù)。此外，在定義了外部通信協(xié)議并掌握插座內(nèi)部協(xié)議的基礎(chǔ)上，對(duì)主程序進(jìn)行了編寫、編譯、運(yùn)行。最后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

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