一種智能家居中可計量插座的設計

張保增，劉靜然，張敬偉

(許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著能源問題越來越嚴峻，人們提出了智能用電，通過實現自動的用電方式緩解能源問題。文獻[1]對居民的用電行為進行了分析，文獻[2]研究了家庭能效評估方法，文獻[3]提出了一種基于ZigBee的智能家居系統。但是所有的評估和控制都必須通過對電器的用電計量和用電控制來實現。針對于目前的普通電器，最可行的方法莫過于通過智能插座來實現。

文獻[4]提出了一種基于ZigBee通信的智能插座，可以實現外置遠程控制，但智能插座并沒有計量功能，同時只能外置在室內插座上，使用起來有局限性。文獻[5]介紹了基于電力線載波的智能插座，可以用于室內電能的計量，同時可以實現用戶對電能的控制。但沒有注明插座的機械結構。

基于標準的86插座的空間尺寸有限[6-7]，其中又要具有通信、控制諸多功能，本文提出了一種單芯片計量方案，通過單芯片V9811實現對電路的控制、電能的計量、顯示，簡化了設計方案，可以實現智能插座的計量和控制功能。

1 方案設計

1.1 結構設計

為了便于在家庭中使用，本智能插座采用墻壁嵌入式設計，符合國家關于插座的標準要求，可以方便裝進普通的墻壁86盒中，在家庭電器裝修時進行配置。插孔采用標準2孔和3孔通用結構，與目前使用方式相似，方便使用。智能插座的外形如圖1所示。

圖1 智能插座外觀

1.2 硬件設計

硬件設計采用基于單芯片計量V9811的計量方案。V9811芯片是萬高公司開發的一款高性能的單相電能計量SoC芯片，集成模擬前端、電能計量模塊、增強型8052內核、RTC、WDT、Flash、SRAM和LCD驅動等功能模塊，可為單相多功能電能表提供單芯片解決方案。

V9811芯片電壓輸入范圍為2.5 V～5.5 V，工作頻率可編程，運算能力最高可達26 MHz/6.5 MIPS；具有128 KB Flash存儲器，4 KB外部SRAM存儲器；4路全速UART，其中一路支持紅外通信；4×24/6×22 段LCD驅動電路，支持多種掃描頻率；LCD驅動電壓在2.7 V～3.3 V范圍內可調。

硬件的框架圖如圖2所示。

圖2 智能插座的硬件框架

其中，電源模塊給V9811芯片和繼電器模塊供應電源，對電壓和電流分別采樣，EEPROM存儲電量信息，LCD顯示用電信息，ZigBee作為無線信道與管理中心通信，本地可以通過紅外端口與智能插座通信。

1.2.1電源和控制

一般來說，電源轉換共有三種方案：變壓器轉換后整流方案、阻容分壓方案和開關電源轉換方案。其中變壓器方案需要的空間太大，不適合智能插座；阻容分壓方案具有無功較大的缺點，同時對于高次諧波敏感，所以本方案也不采用。由于智能插座一直在用電中，為了節約智能插座的功耗，這里采用了開關電源作為智能插座的電源。開關電源模塊把220 V交流電變換為12 V直流電和5 V直流電。12 V直流電供繼電器用電，5 V直流電供芯片電源。

智能插座通過磁保持繼電器對插座負載通斷進行控制，使用磁保持繼電器可以保證在正常工作時間，繼電器回路不消耗電能。繼電器由電源模塊的12 V電源供應，使用電容儲能保證繼電器能夠正常切換。

經過測試表明，插座的靜態功耗約為0.5 W，遠低于普通單相表的功耗。

1.2.2顯示

智能插座的顯示采用LCD液晶顯示，可以顯示電壓、電流、功率和當前總電能。LCD具有低功耗的特點。顯示驅動直接由V9811提供。V9811 集成了一個LCD驅動電路，可產生SEG和COM信號，驅動LCD液晶屏內容顯示。該電路由32.768 kHz的OSC時鐘產生LCD掃描時序；支持最多4COM×24SEG/6COM× 22SEG LCD,可以滿足基本的電能顯示要求。

1.2.3電壓和電流采樣

使用電阻分壓電路對電壓進行采樣，采樣采用雙端完全差動輸入方式。電壓采樣電路如圖3所示。

圖3 電壓采樣電路

圖4中R12～R17為分壓電阻，電容C3和C8對電壓進行濾波。通過分壓電路把220 V電壓變換為芯片可以處理的低電壓。

電流采用錳銅分流片對電流采樣。因為溫度對錳銅的阻值影響非常小,所以用錳銅分流器可以很好地采樣電流回路的信號。電流采樣電路如圖4所示。

圖4 電流采樣電路

圖4中電阻R3、R4和電容C1、C2構成阻容濾波電路，濾除電路中的高頻成分。

1.2.4電能計量

電能計量通過芯片V9811中的電能計量模塊進行。V9811內置一個電能計量模塊，可用于計量電壓/電流有效值、有功/無功電能和視在功率等，具有4路獨立的過采樣Σ/Δ ADC：1路電壓、2路電流和1路多功能測量通道。

電流/電壓有效值計算的信號流如圖4所示。來自高通濾波器輸出的電流/電壓信號首先自相關相乘，其乘積含有2次諧波，經過低通濾波器后可濾除諧波和噪聲引起的紋波，得到電流/電壓的平方，然后再做開平方運算，得到32 位有效值數據，該數據經過比差校正后，即得到電壓/電流值。有功電能的計量與此類似，不同的是前端的乘法器輸入為電壓和電流。

1.2.5通信

相比于普通的智能單相表，本智能插座僅具有遠程通信和紅外通信的功能。遠程通信采用ZigBee無線通信，ZigBee模塊與V9811間通過UART口通信。ZigBee是一種無線低功耗、低速率的通信方式，支持自動路由功能。雖然單個ZigBee通信的距離有限，但通過家庭內部的諸多插座和開關作為路由節點，可以可靠地實現管理中心與智能插座的通信。適合電量抄讀、控制等低速率的通信。

由于空間有限，ZigBee天線采用貼片棒狀天線，增強了無線通信的能力。雖然ZigBee的頻段與人們常用的藍牙、WiFi處于同一頻段，但由于ZigBee具有自動跳頻功能，可以根據環境改變自己的通信頻率，同時當ZigBee與WiFi的頻率之間距離越遠，則造成的干擾越小[8]，因此ZigBee網絡可以與家庭用的WiFi共存。ZigBee網絡采用網狀網絡，所有智能插座和智能開關都可以作為路由節點[9]，組成一個健壯的通信網絡。

ZigBee組網過程中，通過紅外設備讀取智能插座的ZigBee的MAC地址，然后把MAC加入進協調器中，由協調器查找路由器的ZigBee模塊，組進一個網絡中。組網成功后，可以通過ZigBee網絡實現與智能插座的通信。

由于嵌入式智能插座內部空間有限，本智能插座沒有實現485接口，而是實現了調制型紅外接口。與不采用調制的紅外通信相比，使用調制型紅外可以得到較遠的通信距離和較好的通信質量[9-10]。紅外光的波長為900 nm～1 000 nm，載波頻率為38 kHz±1 kHz， 波特率選取2 400 b/s。使用調制型紅外接口作為組網和校表的物理通道。通過紅外通信接口，可以方便實現本地通信，對智能插座進行參數設置和軟件校表。通過本地通信，可以把智能插座與戶內終端組進一個網絡中，實現無線通信。

1.3 軟件設計

軟件設計代碼采用C語言進行編寫。當累計夠0.01 kWh時，累計存儲電量。當發現掉電事件時，把電量存儲進EEPROM中，保證電量掉電不丟失。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 智能插座軟件流程圖

智能插座實現對電能量的計量，當收到管理中心的控制或者查詢命令時，實現對設備用電的控制和用電情況查詢。當檢測到用電異常時智能插座會上報用電異常情況。

2 試驗結果

在額定電壓220 V、不同電流下對兩塊智能插座分別進行4次功率誤差測試，得到結果如表1所示。

表1 插座1誤差測量結果

表2 插座2誤差測量結果

從表中可以看出，兩塊插座測得最大誤差為0.222， 遠低于國家對2級電能表的誤差要求，符合對家用電器的電能計量要求。

3 結論

本文實現了一種基于V9811的單芯片智能插座方案，可以通過ZigBee無線通信進行控制和檢測用電量，實現對家庭用電的精細計量。由于采用了模塊化設計，也可以方便地更改為其他信道。也可以作為計量模塊嵌入進智能家電中，實現對智能家電的控制和監控。

目前使用ZigBee技術以及紅外通信技術雖然實現了功能，但由于插座空間有限以及需要降低成本，因此需要進行改進，下一步盡量使用一個通道完成校表設置等工作。同時插座厚度比普通插座要厚，需要通過簡化縮小厚度。