智能計量與開關控制插座的控制設計※

唐俊，張忠明，譚永東，高鵬

（西南交通大學電氣工程學院，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）是利用先進的計算機技術、網絡通信技術、綜合布線技術、電子微電子技術，滿足個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，它是實現家庭能源管理的重要手段和途徑。本文設計的智能計量與開關控制插座是西南交通大學2011年國家創(chuàng)新項目“家庭能量管理系統(tǒng)設計”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)電部分以及本文設計的智能插座組成。該項目于2012年11月結題，通過驗收。

2 智能計量與開關控制插座的硬件選型

本文設計的智能計量與開關控制插座由三部分組成：計量插座模塊、無線模塊以及繼電控制模塊。智能計量與開關控制插座可以實現對家用電器的電氣信息實時監(jiān)測，實現對電能計量的管理以及對電源的遠程開斷控制。

2.1 計量插座模塊

計量插座采用的是TI公司的LSDIS02RS1CS智能計量插座，其主控芯片為MSP430AFE253。MSP430系列單片機：處理能力強、運算速度快、超低功耗、單片機內部資源豐富、開發(fā)環(huán)境高效［5]。

2.2 無線模塊

無線模塊采用TI公司的CC430單片機，其內核為CC430F5137芯片，使用EZ430－RF5137開發(fā)工具進行開發(fā)。

開發(fā)過程中外部連接主要用到P1.6－TX（5號引腳）、P1.5－RX（6號引腳）、AVCC（45引腳）、AVSS（42引腳，即GND）和P1.0（13號引腳）。其中，P1.6－TX、P1.5－RX用作串口傳輸；P1.0用于開關控制輸出；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，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）是為計量插座準備的，I／O接口與無線模塊的P1.0引腳相連。

具體的工作過程如下：當無線模塊收到上層控制終端的斷開電源命令，其P1.0引腳輸出高電平，光耦P817導通，繼電器兩端得到電壓，達到啟動標準的電流，繼電器動作，開關打到3引腳，220V側電源斷開，插座停止工作。其中繼電器的默認狀態(tài)為常閉狀態(tài)，I／O接口電壓默認為低電壓（為0）。

圖1 繼電控制電路

網絡技術支持略——編者注。

3 通信協議設計

3.1 自定義通信協議設計

自定義了外部通信協議，它是參照101協議進行定義的。

3.1.1 插座與終端的數據交換

智能計量與開關控制插座所涉及的數據類型具體如表1所列。

表1 插座數據設定

3.1.2 報文格式

報文由啟動字符（68H）、應用層公共地址（1個字節(jié)）、類型標識（1個字節(jié)）、數量限定詞（1個字節(jié)）、信息體地址（2個字節(jié)）、信息體元素（2個字節(jié)）和結束字符（16H）構成。下面對各部分具體的情況作簡要介紹。

（1）應用層公共地址

公共地址是子站的標識。主站下發(fā)的報文中，標識接收站；子站上傳時，標識發(fā)送站。鏈路地址域占1個字節(jié)。詳細的地址如表2所列。

注意：當傳送數據對象的數據為08H時代表發(fā)送端向其余所有終端發(fā)送數據（指令），即每一個終端除了01H～06H的地址外，自身還附帶08H的地址，例如02H和08H均代表智能開關（1）。

表2 應用層地址

（2）類型標識

類型標識的意思是當發(fā)送命令時，對該串指令到底是讓對象做什么的一種解釋、說明。類型標識說明略——編者注。

（3）數量限定詞

數量限定詞的作用在于說明傳輸信息體中元素（數據）的個數。

（4）信息體地址

信息體的地址是用來表明數據類型的。詳細的地址略——編者注。

3.1.3 無線模塊與終端的基本對話過程

協議的基本對話過程有：初始化、數據傳輸以及遠程遙控。

（1）初始化

當主站啟動或通信中斷后，主站發(fā)出“請求激活”指令，等待與子站建立通信聯系。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”指令。例程如下：

①廣播激活：（只能由LM3s9B96實現）

M－＞R：68 08 01 00 16

R－＞M：68 01 02 00 16

②點對點激活智能開關：

（2）數據傳輸

當智能計量與開關控制插座接收到來自上層的數據讀取指令時，插座將當前的電壓、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向插座請求數據，插座回復兩個數據：電壓（1001）2330／10＝233V，電流（1002）0005／1000＝0.005 A?？梢园阉械碾妳⒘啃畔⒋虬蟀l(fā)送。（手表的讀取命令與之相同，但回復的地址要變化。）

（3）遠程遙控

當上層給插座發(fā)送開關控制命令時，插座響應該命令，繼電器動作，閉合或斷開插座，并在動作之后發(fā)送確認指令。例程如下：

手表向插座發(fā)送斷開指令，插座回復斷開確認。當然，LM3S9B96的控制終端亦可發(fā)送開關控制命令，此時，回復的地址就會發(fā)生變化。

（4）數據格式說明

開關狀態(tài)（兩個字節(jié)表示）中0000代表斷開；0001代表閉合。電壓、電流、功率測量量（兩個字節(jié)表示）只傳輸整數部分，如220V標識為00 22。功率因數：傳送小數點后數值部分（保留兩位），例如功率因數為0.8，則傳輸數據位8000H。

3.2 計量插座與無線模塊傳輸協議

無線模塊（其內有單片機）為主站，計量插座為從站。具體協議請參照LSDIS02RS1CS智能計量插座的串口通信協議。

4 通信軟件實現

4.1 寫入無線模塊的主程序

寫入無線模塊的主程序主要包括初始化程序、各種中斷服務程序、通信處理程序和開關控制程序。程序流程圖如圖2所示。說明了智能計量與開關控制插座的整體構成和各部分之間的關系。

圖2 智能計量與開關控制插座整體框圖

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

初始化的內容是定義引腳的作用和功能，確定時鐘的選擇，以及采用何種波特率進行傳輸。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)時鐘）作為UART的時鐘源，采用9 600 bps作為傳輸的波特率。

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，達到全雙工通信效果。同時，程序不用等待，以最高效率運行。該段串口中斷程序實現數據接收時觸發(fā)中斷，將接收到的數據保存到m＿strUart.UartRx－Buf數組中。中斷程序如下：

無線通信程序、RS232串口通信略——編者注。

4.2 TI LSDIS02RS1CS型計量插座內部程序解析

LSDIS02RS1CS型號的計量插座能夠實現當前電壓、電流、頻率的測量，并根據測量的值計算出有功功率等電量值。通過分析插座的內部程序，可以解析得到具體的程序流程，如圖4所示。

通過對讀寫程序的解析，并根據插座與外部通信的協議，可以通過串口獲得當前用電器的各項用電參量數值。

圖4 計量插座內部程序流程圖

5 系統(tǒng)調試

本文使用IAR Embedded Workbench（簡稱IAR EW）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具實現程序的編譯和運行。

本次設計的智能計量與開關控制插座由計量插座、無線模塊和繼電器控制部分組成。調試時控制終端用PC機代替，即用USB口連接有無線模塊的筆記本電腦，由此讀寫程序。智能計量與開關控制插座的連接情況是計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量插座，其中無線模塊和繼電控制電路焊在一塊電路板上，用導線將無線模塊與計量插座的RS232口相連，用電器接在普通插座上智能計量與開關控制插座外觀圖略——編者注。

當整個智能計量與開關控制插座正常工作時，插在普通插座上的用電器（白熾燈）正常工作（點亮），且無線模塊實時將用電狀態(tài)反饋給控制終端。當無線模塊收到繼電控制信號后，插座的無線模塊的P1.0端口（引腳）輸出高電平，繼電器動作，斷開電源，普通插座斷電。但計量插座與無線模塊仍能繼續(xù)工作。

在調試過程中，可以在筆記本電腦上使用串口調試精靈查看接收和發(fā)送的結果，并與計量插座監(jiān)測到的數據比對，進行程序修正。

總 語

本文硬件采用MSP430AFE253、CC430F5137分別作為計量插座和無線模塊的主控芯片并對繼電控制模塊的電路進行了設計，信息的傳輸采用RS232和無線射頻技術。此外，在定義了外部通信協議并掌握插座內部協議的基礎上，對主程序進行了編寫、編譯、運行。最后，對系統(tǒng)進行了調試，達到設計的目標。

本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

［1] 孫靜新.基于NiosⅡ的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計［D] .天津：河北工業(yè)大學，2010.

［2] 徐偉，姜元建，王斌.智能插座在智能家居系統(tǒng)中的設計和應用［J] .中國儀器儀表，2010（10）：45－47.

［3] 溫鐵鈍，孫鍵國，張?zhí)旌?無線遙控智能插座的設計［J] .測控技術，2003，22（10）：53－55.

［4] 周彬.一種基于單片機系統(tǒng)控制的多功能插座［J] .電子世界，2011（11）：23－24.

［5] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用［M] .北京：北京航空航天大學出版社，2000：1－6.

［6] 蔣偉民.五種主流近距離無線技術比較［J] .科技資訊，2007（2）：2.