基于實驗室用電安全的智能無線控制電源插座設計

唐英姿, 蔣 峰

(1.廣西師范學院 職業技術教育學院，南寧 530001;2.中南林業科技大學 計算機與信息工程學院,長沙 410004)

基于實驗室用電安全的智能無線控制電源插座設計

唐英姿1, 蔣 峰2

(1.廣西師范學院 職業技術教育學院，南寧 530001;2.中南林業科技大學 計算機與信息工程學院,長沙 410004)

為保證實驗室的用電安全，解決傳統電源插座智能化不足的缺點，防止火災發生，做到實驗室的全開放，文中設計了一種智能無線控制電源插座。該智能無線控制電源插座，選用高速單片機為主控器件，通過電流傳感電路、溫度測量電路、功率測量電路等模塊對實驗室電源插座的供電狀況進行實時在線監測和保護，并利用其內部的GSM通信模塊實現與實驗室管理人員手持終端之間的無線短信通信，實現實驗室管理人員對插座的遠程監測，最終到達安全用電的目的。實驗表明，所設計的智能無線控制電源插座能夠實現過流(10 A)、過壓(250 V)、過熱(50 ℃)以及功率保護(2 500 W)，且能實現無線通斷控制以及保護閾值的初值設置，并能進行語音報警提示，保證開放實驗室的用電安全。

智能插座； 無線控制； 功率測量； 過流保護; 實驗室用電安全

0 引 言

隨著我國高校擴招，在校學生數量不斷增多，為不斷提高在校學生的培養質量，面對前所未有的機遇和挑戰，特別是對以培養“應用型人才”為目標的普通本科學院而言，加強學生實踐能力的培養刻不容緩。培養學生的實踐能力，實驗室的作用不言而喻。為將有限的實驗室最大限度的利用起來，開放性實驗室的管理方法應運而生。然而，開放實驗室的管理主要以學生自主管理為主，由于學生缺乏必要的安全意識以及學生的自由進出也難以管理，最近常有實驗室出現火災、爆炸等安全事故的報道。對于電子信息類專業學生而言，實驗室的安全問題主要是插座用電引起的電火災，此問題嚴重危害學生的生命安全[1]。

通常情況下，實驗室的電源插座選用的是普通的電氣插座，不能提供用電的安全保護。為此，提出一種智能無線控制電源插座的設計方案[2-4]，用于保護學生實驗室的用電環境，杜絕實驗室火災發生，為實驗室的開放管理提供安全保障。

1 智能無線控制電源插座的總體設計方案

目前，實現無線通信的方式有藍牙、紅外、Zigbee、WiFi以及GSM技術等。藍牙、紅外通信距離近，Zigbee以及WiFi技術實現遠程通信的方案復雜，設計成本高。文中根據實驗室用智能無線控制電源插座遠程無線簡單控制的實際情況，考慮到通信距離、設計成本等因素，選擇GSM通信方式來實現。

從用電安全角度出發，實驗室用智能無線控制電源插座應具備[5-8]：過流保護、過壓保護、功率保護、溫度報警以及無線控制等功能。當插座接插用電設備后，將有電流輸出，這時電流傳感器開始工作，采集電源插座輸出電流；如果電源插座所接用電設備過多時，將出現電流以及功率過大的情況，則啟動保護電路斷開輸出。而當電壓波動較大，超出15%時，也會啟動保護電路斷開輸出。當插座輸出電壓、電流以及功率正常，但是由于其工作時間較長，引起溫度升高而超出設定值時，其內部溫度采集電路將啟動保護電路斷開輸出，防止火災發生。當該插座保護電路工作時，還將啟動語音報警，并通過GSM短信方式發送給實驗室的主管教師和PC機監控終端。此外，為方便對插座的開關控制，也可以通過無線方式控制其通斷。根據智能無線控制電源插座的功能描述[9-10]，其總體設計思路如圖1所示。

2 智能無線控制電源插座的硬件設計

圖1 智能無線控制電源插座的整體組成框圖

設計中，控制器選用單片機STC15W4K58S4，溫度傳感器選用LM75A，電流傳感器選用ASC712，功率采集選用專用電能測量芯片ADE7755，繼電器選用固態繼電器SRD-05VDC-SL-C，無線通信選用GSM 模塊——GTM900C，溫度語音報警選用語音芯片YF017實現。

2.1溫度采集電路設計

溫度傳感器選用LM75A，LM75A是內置了一個帶隙溫度傳感器和一個D/A轉換器的數字傳感器。控制器通過I2C總線與其進行通信。為實現多點溫度測量，LM75A還提供了3個可選的邏輯地址管腳，通過對這3個管腳的編程可以實現同一總線上同時連接8個器件而不出現地址沖突。其溫度采集電路見圖2。

圖2 溫度采集電路

為防止I2C總線信號混亂，由于LM75A連接到總線是集電極開路輸出或開漏輸出的結構，故要在SDA與SCL引腳上外接上拉電阻。設計中LM75A只需要用1個，所以邏輯地址管腳A2、A1、A0選用最簡單的方式——全部接地。

2.2電流采集電路設計

電流傳感器選用ASC712，它是一個將電流轉換成電壓的器件。其輸出電壓與輸入電流的關系為：

Uout=2.5+0.185Ip

(1)

即沒有輸入電流的時候，對應輸出電壓為2.5 V，精確度為185 mV/A。其電路如圖3所示。

圖3中P+、P-分別為用電流傳感器的電流輸入輸出端，經過該電流傳感器的轉換，由7端輸出電壓，然后經過A/D采樣芯片——12位的串行輸入芯片MAX1224進行采樣處理。

圖3 電流傳感器連線圖

2.3功率采集電路的設計

電能測量芯片ADE7755是一種單電源、低功耗的高精度電能測量集成芯片。其內部主要由16位二階∑-ΔA/D轉換器、信號處理電路、數字—頻率轉換電路、基準電路、電源監控電路、低通、高通濾波器電路和可編程增益放大器電路等組成。16位二階∑-ΔA/D轉換器中用于采集模擬電流、電壓信號，并將其轉換成數字信號，然后數字信號經過高通濾波電路，濾除信號中的直流分量，再將兩通道分別轉換后的電壓、電流直接相乘，從而計算出其瞬時功率，再對其進行低通濾波，最終得到有功功率分量(直流分量)[11-12]，將該功率分量經過D/F轉換后，從CF腳輸出與有功功率成正比的高頻脈沖信號。然后，將該信號經光電耦合器TLP521-4隔離后輸出，送入到單片機的T0端，其測量電路如圖4所示。

圖4 ADE7755功率采集電路

設計時需注意：為了降低電源的紋波和噪聲干擾，DVDD、AVDDREFIN/OUT都需要添加10 μF電容并聯100 nF瓷介電容進行去耦。對于CF的輸出頻率還需要用頻率計數器進一步平均，以消除紋波。ADE7755對人體的ESD(靜電放電)敏感，故應該采取靜電放電措施進行芯片的保護，防止芯片損壞。

2.4溫度語音報警模塊

溫度語音報警選用語音芯片YF017。YF017芯片內置電阻，只有3個IO口，外部僅需要接一個瓷片電容就可以穩定的工作。控制器的一個IO引腳最多可控制存儲在YF017內的32段聲音的任意調用和組合。其聲音的調用由DATA引腳上輸入的脈沖個數確定。如：需要播放第18段錄音時，控制器首先發送一個脈沖(脈寬大于0.2 ms即可，建議采用1 ms左右)到RST腳，對YF017進行復位；接著連續輸出18個脈沖到DATA引腳，則YF017馬上工作，播放第18段的錄音。YF017芯片錄音地址內容如表1所示。

根據表1可知，要實現溫度的語音播放報警，只需按照順序選擇地址23、1～10(根據溫度實際選取)、13、1～10、20即可。YF017芯片與控制器的接口電路如圖5所示。

表1 YF017語音芯片錄音地址內容表

2.5GSM通信模塊的電路設計

為實現遠程無線通信，考慮到設計周期和制作成本，文中根據實際情況選用華為公司生產的一款兩頻段GSM/GPRS無線模塊——GTM900C。文中GTM900C使用AT命令集，選用UART接口與控制器進行通信，實現數據的無線發送和接收。

圖5 YF017芯片與控制器的接口電路

3 智能無線控制電源插座的軟件設計

根據智能無線控制電源插座的功能，其控制程序包括：溫度采集程序、電流采集程序、功率測量程序、GSM無線通信程序以及顯示程序等。文中主要介紹功率測量程序以及GSM無線通信程序的實現過程。

3.1功率測量程序的設計

根據ADE7755的工作原理[13]，對所隔離的脈沖信號采用計數的方式進行，用內部定時器設定的積分時間對CF輸出的高頻脈沖進行計數，平均功率正比于平均頻率：平均功率=脈沖個數/積分時間。輸出頻率與輸入電壓大小有關，由下式確定：

(2)

式中：A為分流系數(10 mΩ電阻，10 A的輸入電流)，A=0.01；B為分壓系數，B=R1/(R4+R1)=1 kΩ/(1 MΩ+1 kΩ)≈0.001；U為交流輸入電壓值。

參數G和F1～4是由引腳SCF、G1、G2、S0、S1共同確定的，在電路設計中，把SCF置為高電平，而由于倍頻數的改變與F1～4改變互相抵消，S0、S1的改變對脈沖常數沒有影響，故設計時取S0=1、S1=1，那么F1～4=13.6，倍頻數為16，則最后的脈沖常數只與G0、G1的電平值相關，G0、G1的電平選擇通過撥碼開關S1、S2的通斷實現。程序流程如圖6所示。

3.2GSM無線通信收發程序

為實現對智能無線控制電源插座的遠程無線控制，設計中依據GSM的通信原理[14-15]，利用AT命令實現短信的無線收發控制。通常情況下，GSM通信有兩種工作模式：PDU模式以及TEXT(文本)模式[16]。PDU模式采用unicode編碼，既可以發送英文字符，也能發送漢字，但其設計時間長、復雜，實現難度大；TEXT(文本)模式實現簡單，雖只能發送英文字符，但不需要對其進行編碼。因此，為簡化設計難度，文中選用TEXT(文本)模式，通過命令行：AT+CMGF=1實現模式的選擇。

圖6 功率測量程序流程圖

GSM通信實現的步驟為：①建立通信握手連接；②設置通信傳輸速率；③設置通信模式；④設置收發短信的短信中心碼；⑤設置數據接收模式。GSM通信模塊初始化程序如下[16]，程序中Send_Command()函數(發送命令函數)中的第一個參數表示AT指令碼，第二個參數值表示指令碼的字符長度：

void GSM_Init(void)

{

Send_Command(Command_ATE，5); //設置回顯

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT，3); //建立連接

delay1(10);

Send_Command(Command_AT_IPR，12); //設置波特率=9600

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT_CMGF，10); //設置為text格式

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT_CSCA，23); //設置為短信中心號碼格式

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT_CNMI，14); //設置為中斷方式接收短信，

delay1(1000);

}

其短信接收流程如圖7所示。

短信發送程序的代碼如下：

void Send_Message(void)

{

圖7 短信接收程序流程圖

Send_Command(Command_AT_CMGS，20); //發送到指定號碼

delay1(2000); //等待回復輸入符號

Send_Command(Command_Control，33);

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT_End，1); //發送短信結束符

delay1(100);

}

4 測試

利用所設計的樣品插座，通過手機進行模擬的溫度無線短信報警通信測試試驗。實驗時設定溫度下限為25 ℃，上限為32 ℃，進行模擬溫度數據GSM短信通信傳輸，結果如圖8所示。

結果分析：

(1) 在12:36和15:35進行的兩次測試，手機接收到高溫報警短信。由于一直沒有采取降溫措施，報警一直持續，故連續收到兩條相同的短信。

(2) 在21:35也進行了高溫報警測試，手機同樣接收到高溫報警短信。之后對測試插座進行風扇降溫，當插座溫度降到25 ℃以下后，收到顯示高溫報警解除的短信。插座上液晶屏顯示的報警信息也自動更新，自動解除。

5 結 語

文中所設計的智能無線控制電源插座能夠實現過流、過壓、過熱、功率保護，且能通過手機短信實現遠程無線短信的通斷控制以及初值設置，并能進行語音報警提示；其過流門限值為10 A；過壓保護門限值為250 V，功率保護門限值為2 500 W，溫度門限設置為50℃，且其值能自由設定。該系統能夠保障實驗室用電的安全，防止火災發生，為實驗室的開放提供了物質基礎，具有一定的應用價值。

圖8 短信溫度報警測試效果演示

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DesignofIntelligentWirelessControlPowerSocketfortheSecurityofLaboratory

TANGYingzi1,JIANGFeng2

(1. Institute of Vocational Eduction, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China;2. School of Computer and Information Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

In order to ensure the safe use of electricity in the laboratory, solve the shortcomings of the intelligent deficiencies in the traditional power outlet, and prevent the fire occurring and realize the open of the laboratory, this paper designs a kind of intelligent wireless power socket. The intelligent wireless power socket usesthe high-speed microcontroller as the main control device, it is composed by the current sensing circuit, temperature measurement circuit, power measurement circuit, and wireless communication circuit module to achieve real-time online monitoring and protection of power supply situation in the laboratory. It can also transmit wireless message with the handheld terminal in laboratory management by its internal GSM communication module. This socket can be monitored remotely and realized the safe use of electricity in the laboratory. Experimental results show that the design of wireless intelligent power socket can monitorover current, over voltage, over heat, over power, and can realize wireless on-off control. It can realize initial value setting and voice alarm also. This socket can realize the safe use of electricity in the laboratory and has certain application value.

intelligent socket; wireless control; power measurement; over current protection; safe use of electricity in the laboratory

TP 273

A

1006-7167(2017)09-0294-05

2016-12-15

湖南省科技計劃項目經費資助(2016WK2023)；湖南省教育廳科學研究項目資助 (15B251)；中南林業科技大學引進高層次人才科研啟動基金計劃項目資助(104-0357)

唐英姿(1968-)，女，福建安溪人，學士，講師，研究方向：電工電子技術、自動控制技術。Tel.：13507867297；E-mail：365276326@qq.com

蔣 峰(1976-)，男，湖南衡陽人，博士，副教授，研究方向：嵌入式系統應用、生物信息技術、物聯網技術。Tel.：13723899085;E-mail：jf09mail@163.com