基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能插座設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李偉，李一真，王志梁，石震，孫二杰

（1.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250101；2.國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司，濟(jì)南250101）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能插座設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李偉1，李一真2，王志梁2，石震1，孫二杰1

（1.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250101；2.國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司，濟(jì)南250101）

簡述智能用電系統(tǒng)的基本組成及工作原理，提出智能用電系統(tǒng)中智能插座的設(shè)計(jì)方案；針對傳統(tǒng)插座的不足，闡述了智能插座的優(yōu)勢以及各組成部分的電路原理；描述了電量計(jì)量原理、校準(zhǔn)步驟及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

智能用電系統(tǒng)；智能插座；電量計(jì)量

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國建筑耗能高的問題日益突出。在我國現(xiàn)有的約430億m2建筑中，只有4%采取了節(jié)能措施，單位建筑面積能耗為發(fā)達(dá)國家新建建筑的3倍以上［1］。目前，我國在用電技術(shù)方面還比較落后，大部分采用傳統(tǒng)的開關(guān)，智能用電技術(shù)應(yīng)用較少，這也是造成能源浪費(fèi)的一個(gè)重要方面。建筑智能用電作為建筑節(jié)能的重要方面，迫切需要建立效率高、成本低的建筑智能用電系統(tǒng)以減少建筑用電能耗問題。

智能用電系統(tǒng)中，智能插座意義重大。設(shè)計(jì)一種新型智能插座，可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流、有功功率、無功功率、電量等的測量，并可實(shí)現(xiàn)防竊電、高溫報(bào)警、過載保護(hù)、定時(shí)通斷、狀態(tài)提示等智能功能?？梢詫?shí)時(shí)檢測電器的工作狀態(tài)，關(guān)閉處于待機(jī)狀態(tài)的電器設(shè)備，減少能源的浪費(fèi)。同時(shí)還可以分段定時(shí)根據(jù)自己的需求設(shè)置不同的時(shí)間段開啟電器設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能用電系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的采集、數(shù)據(jù)的匯總、電器的智能控制，實(shí)現(xiàn)用電智能化和環(huán)境舒適化，包括無線環(huán)境參數(shù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)（溫濕度、光照、CO2等傳感器設(shè)備）、無線智能開關(guān)、無線智能插座、智能電表、智能網(wǎng)關(guān)、房間控制器7個(gè)部分。智能用電系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1。

智能用電系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集、嵌入式、無線通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)。系統(tǒng)中傳感器檢測室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、用電量信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到房間控制器；房間控制器既是室內(nèi)所有傳感器設(shè)備信息的匯總，也是控制策略的載體。房間控制器將收集的數(shù)據(jù)通過智能網(wǎng)關(guān)上傳至監(jiān)控中心；同時(shí)，數(shù)據(jù)通過LAN總線經(jīng)過路由器到達(dá)Internet，用戶可通過手機(jī)登陸網(wǎng)絡(luò)獲取建筑內(nèi)的環(huán)境信息及用電信息，實(shí)現(xiàn)用電的智能化。

智能插座在智能用電系統(tǒng)中起著重要作用，負(fù)責(zé)電量信息的采集以及控制策略的實(shí)施，控制電器的工作，保證用電的智能化。

2 智能插座的硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能插座的結(jié)構(gòu)

智能插座結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，包括MCU、無線通信模塊、電量計(jì)量模塊、溫度檢測模塊等。

圖2 智能插座結(jié)構(gòu)

2.2 電源模塊

電源模塊采用開關(guān)電源電路，避免頻繁更換電池帶來的不便。與普通的穩(wěn)壓電源相比，開關(guān)電源成本低、效率高、壽命長、能耗低。其核心芯片TNY254P有較大的電壓輸入范圍，保證了電路穩(wěn)定性；開關(guān)頻率是44 kHz，有效減少電磁干擾；變壓器的輸出功率可達(dá)2.5 W，保證了電路的正常工作。電源模塊原理圖如圖3所示。

2.3 電量采集模塊

電量采集模塊采用RN8209電量計(jì)量芯片，能夠采集單相電路的電壓、電流、有功功率、無功功率等參數(shù)，支持IEC62053-22：2003標(biāo)準(zhǔn)，可支持SPI和USART接口與處理器通信。具有體積小、精度高、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 電源模塊原理

電流采集時(shí)，火線的輸入端經(jīng)過0.56 μΩ錳銅電阻，產(chǎn)生微小的壓降，錳銅電阻兩端經(jīng)過1 kΩ電阻連接到電流通道A的正負(fù)模擬引腳，采用完全差分輸入方式，經(jīng)過芯片內(nèi)部的處理，從寄存器中可以讀取24位的電流有效值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以得到電流值。

電壓采集也是通過差分輸入方式，零線經(jīng)過496 kΩ的電阻，為了降低功率采用多個(gè)電阻串聯(lián)的方式，1 kΩ電阻分得的電壓輸入到電壓通道的正模擬輸入引腳，電路通道的負(fù)模擬引腳經(jīng)過1 kΩ電阻與地相連經(jīng)過芯片內(nèi)部的處理，從寄存器中讀取24位電壓有效值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以得到電壓值。

電流通道B通過電流互感器，取得零線上的電流，與電流A通道采集到的電流值相比較，如果不一樣說明有竊電現(xiàn)象。有功功率、無功功率都可以通過讀取寄存器獲得。其原理圖如圖4。

圖4 電量采集模塊原理

2.4 智能插座通斷電路

智能開關(guān)的通斷電路選用晶閘管來實(shí)現(xiàn)的，為了解決強(qiáng)弱電的電氣隔離問題，采用光電耦合的方式來實(shí)現(xiàn)晶閘管的開關(guān)。光電耦合實(shí)現(xiàn)了“電信號—光信號—電信號”的轉(zhuǎn)換，避免了電信號與電信號轉(zhuǎn)換引起的過壓。智能開關(guān)的最大負(fù)載可以達(dá)到16 A，可以有效地控制大功率電器，如空調(diào)、微波爐等。電路圖如圖5所示。

圖5 智能插座通斷電路

2.5 無線通信模塊

智能插座選用433無線通信模塊，與藍(lán)牙、WIFI、ZigBee等無線通信模塊相比，433具有價(jià)格低、傳輸距離遠(yuǎn)、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以對其進(jìn)行二次開發(fā)。

433模塊的核心芯片是C1101，它是一種低成本的UHF收發(fā)器，內(nèi)部集成了一個(gè)可配置的調(diào)制解調(diào)器。該調(diào)制解調(diào)器支持多種調(diào)制格式，傳輸速率最高可達(dá)500 kbit／s。通過開啟集成的調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，能使性能得到提升［2］。CC1101可用作一個(gè)低IF接收器，接收的RF信號通過低噪聲放大器放大，再對中間頻率求積分來向下轉(zhuǎn)換［3］。在IF下，I／Q信號通過ADC被數(shù)字化，自動(dòng)增益控制、細(xì)微頻率濾波和解調(diào)位／數(shù)據(jù)包同步均數(shù)字化地工作［4］。CC1101的發(fā)送器部分基于RF頻率的直接合成，頻率合成器包含一個(gè)完整的芯片LCVCO（壓控振蕩器）和一個(gè)對接收模式下的向下轉(zhuǎn)換混頻器產(chǎn)生I和QLO信號的90°相移裝置。

433模塊通過SPI通信方式與單片機(jī)交互，單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)通過433模塊后以廣播形式向外傳輸，所有模塊都可以收到數(shù)據(jù)，每個(gè)模塊根據(jù)制定好的通信協(xié)議，判斷數(shù)據(jù)是不是本身所需要的，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透傳。由于433是透傳模塊，在兩個(gè)相鄰的模塊同時(shí)向外界傳輸時(shí)，存在無線沖突的問題，采用載波檢測的方法，通過制定的協(xié)議棧，由通信仲裁判斷通信優(yōu)先級，有效地解決了此問題。

2.6 溫度采集模塊

采用DS18B20芯片，測溫范圍為-55～+125℃，并且在-10～+85℃精度為±0.5℃。此外，DS18B20能直接從單線通信線上汲取能量，除去了對外部電源的需求［5］。當(dāng)溫度異常時(shí)，蜂鳴器會報(bào)警。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件平臺采用C＃開發(fā)語言，采用SQL SERVER數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)，使用Visual Studio軟件工具編寫代碼。圖形化管理工作SQL Server Mangement Studio Express方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)的開發(fā)包括關(guān)鍵任務(wù)企業(yè)數(shù)據(jù)平臺、關(guān)系數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)開發(fā)。上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存盤、綜合處理、打印、報(bào)警、圖形顯示、人機(jī)對話，并可通過數(shù)據(jù)傳送對下位機(jī)進(jìn)行控制。

在軟件的設(shè)計(jì)過程中，人機(jī)界面非常重要，因?yàn)樗苯优c用戶產(chǎn)生信息交流。友好的人機(jī)界面，要求能真實(shí)再現(xiàn)控制設(shè)備狀態(tài)以及準(zhǔn)確顯示采集到的參數(shù)信息。整個(gè)人機(jī)界面包括節(jié)點(diǎn)選擇、節(jié)點(diǎn)控制以及電量、電壓、電流、有功功率的顯示，各畫面間可以相互切換。當(dāng)然也可根據(jù)用戶習(xí)慣設(shè)計(jì)適合用戶的人機(jī)界面，具有很好的靈活性。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，收集到的感知節(jié)點(diǎn)信息，要進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，并實(shí)現(xiàn)電器的智能控制，此軟件主要由兩部分組成，數(shù)據(jù)收發(fā)部分和顯示部分。

數(shù)據(jù)收發(fā)指的是與嵌入式網(wǎng)關(guān)間數(shù)據(jù)的收發(fā)。兩者是通過無線網(wǎng)絡(luò)連接的，應(yīng)用TCP／IP的Socket套接字編程，嵌入式網(wǎng)關(guān)在和上位機(jī)通信中做服務(wù)器，上位機(jī)作為連接發(fā)起方［6］。顯示部分使用C＃編寫的運(yùn)行于Windows.Net Framework上的窗體應(yīng)用程序，當(dāng)房間內(nèi)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，顯示界面的會改變文字顏色來提醒監(jiān)視人員。同時(shí)，采用輔助設(shè)備繪制出數(shù)據(jù)的曲線圖，方便監(jiān)控人員的觀察。界面清晰直觀，簡便易用。房間控制器界面如圖6所示。

圖6 房間控制器界面

4 智能插座的校準(zhǔn)及測試

4.1 智能插座的校準(zhǔn)

電量測量模塊在測量電量參數(shù)前需要對RN8209G芯片進(jìn)行參數(shù)校正，以提高電量采集參數(shù)的精密度。通過標(biāo)準(zhǔn)電能表對RN8209G電量測量模塊進(jìn)行校表，其校表流程如圖7所示。

圖7 校表流程

1）參數(shù)設(shè)置。

參數(shù)設(shè)置主要包括：B通道ADCON（地址常數(shù)）設(shè)置、ADC增益選擇、HFConst（電表常數(shù)）設(shè)置、啟動(dòng)電流設(shè)置、能力累加模式設(shè)置、其他參數(shù)設(shè)置等。

采用RN8209的外部晶振為3.579 545 MHz時(shí)HFConst=int［1.28528×1016Vu·Vi／（EC·Un·Ib）］（1）式中：Vu為電壓通道電壓；Ib為額定輸入電流；Vi為電流通道電壓；Un為額定輸入電壓；EC為電表參數(shù)。

2）有功校正。

若標(biāo)準(zhǔn)表在A通道輸出最大額定電流，相位差為180°，讀出誤差為e，則通過式（2）計(jì)算Pgain（有功增益），如果Pgain≥0，則通過式（3）計(jì)算GPQA（通道A功率增益）；如果Pgain<0，則通過式（4）計(jì)算GPQA。

3）有效值校正。

有效值校正包括：電流補(bǔ)償校正、額定電流校正、額定電壓校正等。

4.2 智能插座的測試

校正完畢后，用智能插座連接燈泡，進(jìn)行測試。測試插座通斷的控制，以及電壓、電流、功率的測試。智能插座可以有效地控制燈泡的亮滅，并可測量電壓、電流、功率等參數(shù)。圖8為房間控制器測試數(shù)據(jù)界面。

圖8 房間控制器測試數(shù)據(jù)界面

5 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的智能插座，可以有效解決傳統(tǒng)插座智能化低、危險(xiǎn)性高、功耗大的問題，加入了防竊電、電量采集、智能控制、高溫報(bào)警等功能。智能插座可以有效應(yīng)用于建筑智能用電系統(tǒng)中，為控制策略的實(shí)施提供有力的支持。

［1］李英子，張超.對我國建筑節(jié)能趨勢的預(yù)測與分析［J］.經(jīng)濟(jì)師，2010（3）：20-22.

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［3］李晶.基于CC1101的短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011.

［4］郝毫毫.基于CC1101的大容量數(shù)據(jù)無線傳輸方法［J］.測控技術(shù)，2013（2）：20-22.

［5］王建平，焦國太，季偉，等.基于單片機(jī)的無線溫度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電技術(shù)，2011（4）：14-17.

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Design and Implementation of Smart Socket based on Networking Technology

LI Wei1，LI Yizhen2，WANG Zhiliang2，SHI Zhen1，SUN Erjie1
（1.School of Information&Electric Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Stage Grid Shandong Energy Services Ltd，Jinan 250101，China）

The basic components and working principle of intelligent power consumption system are and described the design of intelligent socket in intelligent power consumption system is proposed.In comparison with the shortcomings of traditional socket，advantages of the intelligent socket are stated and circuit schematic principles of all components are illustrated in detail. The principle of power measurement，procedure of calibration and designing of PC software are also described.

intelligent consumption supply system；intelligent socket；power measurement

TP277.2

B

1007－9904（2015）06－0055－04

2015-01-15

李偉（1990），男，碩士研究生，從事建筑智能用電的研究；

李一真（1981），男，工程師，從事建筑節(jié)能方向的研究；

王志梁（1982），男，工程師，從事建筑節(jié)能方向的研究；

石震（1990），男，碩士研究生，從事建筑智能用電的研究；

孫二杰（1990），男，碩士研究生，從事建筑智能用電的研究。