具有用電器分析監測功能的智能供電裝置*

蔡昕晨 李紀嫻 馮萬晗 胡安正

(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

近年來，隨著物聯網技術的不斷發展，智能家居的發展也邁向了智能用電的新階段.智能供電打破了傳統用電方式，利用電流、電壓互感和無線傳輸的物理原理實現了對用電器和分布式能源的信息交換和精準控制.

基于此，本文研制了一款帶有用電器識別、檢測和監測功能的智能供電裝置，實現了對用電設備的精準供電和無線終端的監控與管理.

1 系統總體設計

該裝置主要分為兩大板塊：智能供電和無線終端.智能供電板塊包括電壓電流互感器、ADE7763電能計量芯片、繼電器模塊和ZigBee模塊，采用STM32F334C8T6微控制器作為中央控制器.無線終端板塊采用STM32F407ZGT6微處理器，其與外圍ZigBee模塊和觸摸液晶屏模塊相連，智能供電裝置系統框圖如圖1所示.

圖1 智能供電裝置系統框圖

2 系統硬件設計

本裝置的硬件設計主要包括采樣模塊、電能計量模塊、電源模塊、通信模塊等.

2.1 電壓電流采樣模塊

電壓電流采樣利用電壓、電流互感和無線傳輸的物理原理，由電壓互感器和電流互感器組成，其電路圖如圖2所示.圖中T1為電壓互感器，將市電按比例關系變換為低等級的二次電壓信號給ADE7763；T2為電流互感器,依據電磁感應原理將一次側大電流轉換成二次側小電流信號給ADE7763.

圖2 采樣電路

2.2 電能計量模塊

電能計量采用高精度的電能計量芯片ADE7763，圖3為ADE763的外圍硬件連接圖.采樣的電壓電流信號通過差分輸入的方式接入V1P/V1N，V2N/V2P引腳.REF為基準電壓的輸入、輸出引腳，在片內集成了2.42 V+8%的內部參考電壓，使用C11和C3為內部參考電源去耦.CLKOUT和CLKIN之間接大小為3.579 545 MHz晶振，為ADE7763提供時鐘源.DIN，DOUT，SCLK，CE 4個引腳分別與微處理器的PA4,PA5,PA6,PA7相連完成Serial Peripheral Interface(SPI)通信.

圖3 電能計量電路

3 系統軟件設計

系統利用ADE7763采集用電器的電壓、電流、有功功率、視在功率、功率因數等信息，通過SPI接口與微控制器通信.微控制器對采集的信息進行分析，識別各類型的家用設備，再將識別結果和用電信息通過ZigBee傳輸給終端設備.此部分主要介紹ADE7763的程序設計及用電器識別程序設計.

3.1 ADE7763的程序設計

ADE7763進行寫操作，在時鐘的下降沿時把數據移入寄存器.數據進入串行口，在一個有限的時間間隔內把數據從緩沖器移入片內寄存器中.

ADE7763進行讀操作，在下個時鐘信號的上升沿開始傳輸數據.這時DOUT端退出高阻抗狀態，轉換為通過驅動數據總線來傳輸數據.

3.2 用電器識別程序設計

1.for (i = 1; i < (1 << 7); ++i) {

2.for (j = 0; j < 7; ++j) {

3.if (i & (1 << j)) {

4. Power += WATT[j];

5. }

6. }

7.}

其中Power為用電器排列組合的有功功率;WATT[j]為第j個設備的有功功率.

4 結論

本研究利用電壓、電流互感的物理原理和ADE7763電能計量芯片設計了一款帶有用電器分析、識別和監測功能的智能供電裝置，使用電器可識別、可檢測、可控制，為智能家居的改造、升級、安全用電和提升人們的生活質量以及節能環保提供了一種解決方案.