智能家居應(yīng)用中交流電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建立

王 威，趙 柯，劉 丹，徐思武，賴樹發(fā)

（南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

智能家居應(yīng)用中交流電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建立

王 威，趙 柯，劉 丹，徐思武，賴樹發(fā)

（南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

針對智能家居應(yīng)用中交流電力監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)特性即對低功耗與快速性的要求，通過使用TI公司低功耗芯片Msp430f149為主控芯片，圍繞其芯片內(nèi)部豐富的資源進(jìn)行開發(fā)，并嘗試引入研究的新型數(shù)據(jù)處理算法，設(shè)計(jì)了一個簡便實(shí)用的交流電力監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)合了實(shí)驗(yàn)室的硬件電路試驗(yàn)，相比于普通功率表，其在滿足速度與精度要求的前提下降低了近20%的功耗。該系統(tǒng)主要應(yīng)用在智能家居電力供應(yīng)過程中，進(jìn)行了電力監(jiān)測與電流、電壓波形還原以及安全自控等相關(guān)方面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

智能家居；交流采樣；Msp430；電力監(jiān)控

在智能家居的應(yīng)用當(dāng)中，機(jī)器能夠?yàn)槿藗児?jié)約時間、提高效率以及便捷生活，所以機(jī)器的智能化程度很大的程度上決定了人類生存的舒適性和安全性。智能家居當(dāng)中的電力監(jiān)控系統(tǒng)充當(dāng)了家庭電子管家的角色，它能夠很大程度上判斷趨勢、預(yù)知危險，及時的做出應(yīng)對處理。相對于人們自己來判斷和處理險情，可能更快更準(zhǔn)確。文章通過采用TI公司生產(chǎn)的Msp430f149單片機(jī)對家庭用電網(wǎng)中的電壓電流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、模擬出電流波形、精確計(jì)算出實(shí)時功率，從而對家庭電網(wǎng)中的用電器做到充分了解，預(yù)防警告以及消除潛在的以及突發(fā)的各種危險。為今后的智能家居產(chǎn)業(yè)奠定基礎(chǔ)，隨著智能家居市場推廣普及的進(jìn)一步落實(shí)，智能家居產(chǎn)業(yè)前景將一片光明。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

隨著新能源革命的時代興起，工業(yè)用電、家庭用電的需求不斷提高，實(shí)時監(jiān)控、電能調(diào)節(jié)的自動化顯得特別重要。而在達(dá)到工業(yè)自動化的過程中，最重要的環(huán)節(jié)是電量參數(shù)的采集。

交流采樣技術(shù)在全國的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，為加強(qiáng)對地區(qū)性電網(wǎng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)交流采樣測量裝置的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)、檢測精度校對，設(shè)備投運(yùn)前驗(yàn)收等工作的規(guī)范化、科學(xué)化管理，確保采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

在電量采集的過程中，如果需要提高數(shù)據(jù)的精度和速度，就需要采用直流采樣。但直流采樣仍有很大的局限性：無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時信號的采集；變送器的精度和穩(wěn)定性對測量精度有很大影響；裝置復(fù)雜，維護(hù)難度大等，于是交流采樣方法應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

經(jīng)過研究討論，采用交流采樣方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過算法整合，結(jié)合電壓型電流互感器和電壓互感器的轉(zhuǎn)換特點(diǎn)，作者利用Msp430單片機(jī)內(nèi)部豐富的資源，搭載外圍電路，驅(qū)動液晶顯示屏進(jìn)行電壓電流和有功功率實(shí)時顯示，并與設(shè)定值對比，若監(jiān)測發(fā)現(xiàn)反常的過流過壓現(xiàn)象，即刻聲光報警并迅速切斷總電源，確保安全。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)模塊

為降低功耗，我們采用了超低功耗的Msp430單片機(jī)作為主控芯片，但為確保電力監(jiān)控的準(zhǔn)確性和安全性，系統(tǒng)本身與被檢測部分（室內(nèi)電網(wǎng)）分開供電。該系統(tǒng)一共由互感檢測模塊、系統(tǒng)供電模塊、采樣處理模塊、液晶顯示模塊、聲光報警模塊，繼電器模塊6大部分組成，下面分別介紹。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Structure diagram of system design

2.2 互感檢測模塊

該部分采用了市面上常見的DL-PT02系列電壓互感器和DL-CT-A型精密電流互感器，這兩個互感器的特點(diǎn)是體積小，精度高，一致性好。電壓互感器額定輸入220 V,額定輸出3.53 V。電流互感器的額定電流為10 A，額定輸出為10 mA,能夠滿足該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中的各項(xiàng)要求，故選用。硬件連接采用其經(jīng)典接法，為避免出現(xiàn)負(fù)電壓，放大器同相端參考電壓接入1.2 V，抬高整體波形電平。電流互感經(jīng)過R1和R4與OP07放大器構(gòu)成反向放大器從而I/V變換給單片機(jī)采樣模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，電壓互感轉(zhuǎn)換后經(jīng)OP07放大器稍放大后直接接到采樣模塊。硬件連接電路圖如圖2所示。

圖2 互感檢測模塊Fig.2 Module of mutual inductance detection

2.3 系統(tǒng)供電模塊

該系統(tǒng)采用+3.3 V直流供電，故需要采用變壓器進(jìn)行降壓，這里我們采用市面上最常見的220~9 V變壓器，然后經(jīng)整流橋整流，最后采用LM2940穩(wěn)壓芯片穩(wěn)至5 V，該芯片的最大特點(diǎn)是低壓差線性穩(wěn)壓器而且紋波系數(shù)很小。最后由核心板上的 ASM1117-3.3穩(wěn)壓至 3.3 V給芯片供電。LM2940、ASM1117連接電路如圖3、圖4所示。

2.4 采樣處理模塊

該系統(tǒng)的采樣處理模塊利用了Msp430f149單片內(nèi)部自己的資源，該單片機(jī)內(nèi)部集成了一個12位高精度雙積分型AD轉(zhuǎn)換器，它具有高速度,通用性等特點(diǎn)，對于該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換速度的要求完全可以勝任，所以無需另外搭載采樣電路，但是該單片的參考電壓需要編程時選擇采用外部還是內(nèi)部參考電壓，此處采用內(nèi)部參考電壓2.5 V。

圖3 LM2940連接電路Fig.3 Connection circuit of LM2940

圖4 ASM1 1 1 7連接圖Fig.4 Connection circuit of ASM1117

2.5 其他模塊

液晶顯示模塊采用了128×64的LCD并行連接方式，自帶背光和字庫，方便快捷。另外通過單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲器還能將近期時間內(nèi)的采樣情況記錄下來，通過按鍵即可分屏查詢歷史數(shù)據(jù)，以及過壓過流的情況，便于提醒用戶存在風(fēng)險。硬件連接圖如圖4所示。

聲光報警模塊采用了八個LDE燈和一個蜂鳴器作為概念模型，當(dāng)系統(tǒng)將測到過壓或過流時，8個LED燈循環(huán)點(diǎn)亮形成流水報警燈，蜂鳴器發(fā)出不同聲調(diào)的鳴叫聲，該設(shè)備只有當(dāng)用戶進(jìn)行復(fù)位操作時才能停止。蜂鳴器電路如圖5所示。

圖5 蜂鳴器連接電路Fig.5 Connection circuit of buzzer

繼電器模塊與聲光報警模塊相連，并由聲光報警模塊觸發(fā)，繼電器斷開室內(nèi)電網(wǎng)，而該系統(tǒng)是靠入戶電供電，仍可繼續(xù)工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 交流采樣原理

交流采樣技術(shù)是按一定規(guī)律對被測信號的瞬時值進(jìn)行采樣，再按一定算法進(jìn)行數(shù)值處理，從而獲得被測量的測量方法。該方法的理論基礎(chǔ)是采樣定理，對交流信號用高速A/D直接采樣，其采樣的頻率理論上要大于信號最高頻率（包括其所含的全部分量）的 2倍以上，如對一個50 Hz并含有最高25次諧波的信號采樣，其采樣頻率應(yīng)達(dá)到50×25× 2=2 500 Hz以上，也就是每周波均勻采樣50點(diǎn)以上，這樣對樣點(diǎn)通過內(nèi)部運(yùn)算可以完全恢復(fù)原波形，同時可得到信號的幅值、相位等信息。這種采樣方式對A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)設(shè)備要求相對較高，控制也較復(fù)雜。

3.2 交流計(jì)算公式

交流電壓的有效值計(jì)算公式為:

經(jīng)過離散化之后，以單個周期內(nèi)有限個采樣電壓量來替換單個周期內(nèi)的連續(xù)變化的電壓函數(shù)值。經(jīng)過整合，則可得到:

式中：△Tm——相鄰兩次采樣的時間間隔。

um——第n-1個時間間隔的電壓采樣瞬時數(shù)值。

N——單個周期內(nèi)的采樣點(diǎn)個數(shù)。

同理，可以得出交流電流有效值計(jì)算公式為：

而將上面兩個公式進(jìn)行整合，可以發(fā)現(xiàn)一相有功功率的離散化公式為：

3.3 軟件設(shè)計(jì)流程

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程采用分功能，分子模塊的方式編程，這樣不僅便于調(diào)試，更加使代碼具有很好的可移植性，更是方便其他開發(fā)者閱讀和理解，加強(qiáng)與其他開發(fā)者的交流，互相進(jìn)步，體現(xiàn)一定的開源精神。在該系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于算法的設(shè)計(jì)，在于對數(shù)據(jù)的采集與處理。

在主程序中主要完成對于LCD的初始化、AD采樣模塊的初始化、采樣中斷初始化、定時中斷初始化等。在主程序后分為AD采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、LCD顯示模塊、LED顯示模塊、蜂鳴器驅(qū)動模塊，以及繼電器模塊等。

在數(shù)據(jù)處理模塊中，為是處理過程簡化，該系統(tǒng)采用特殊算法將采集的數(shù)據(jù)離散化，將高速采集到的AD值放入預(yù)設(shè)的數(shù)組當(dāng)中后進(jìn)行運(yùn)算處理。為提高測量的穩(wěn)定性，程序中進(jìn)行了簡單的均值濾波，通過對比，濾波后數(shù)據(jù)的誤判大大減少，進(jìn)而提高了系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確度。從而得出初步結(jié)論，盡管濾波后的數(shù)據(jù)實(shí)時性較之前有所滯后，但穩(wěn)定性得到了顯著提高。

現(xiàn)給出系統(tǒng)主程序流程圖（圖6）與中斷服務(wù)程序流程圖（圖7）如下。

3.4 部分程序代碼

ADC12采樣子程序代碼如下：

圖6 主程序流程圖Fig.6 The main program flow chart

圖7 中斷服務(wù)程序流程圖Fig.7 Interrupt service routine flowchart

4 結(jié)束語

文章基于Msp430f149超低功耗單片的交流采樣電力監(jiān)控裝置已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成功，市面上的同類產(chǎn)品也比較多，但該裝置采用了特殊的數(shù)據(jù)處理算法，具有更加智能、超低功耗、處理速度快，處理后持續(xù)報警等優(yōu)點(diǎn)，在突發(fā)事件如火災(zāi)時能夠以最快速度提示危險，保障人身財產(chǎn)安全，該產(chǎn)品特別適用于大樓建筑，集團(tuán)單位等人員聚集場所，以其精簡的電路結(jié)構(gòu)和豐富的單片機(jī)資源保障設(shè)備的可靠性，相信其會成為智能家居家族中不可或缺的一員。

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Design of AC power monitoring system on smart home applications

WANG Wei,ZHAO Ke,LIU Dan,XU Si-wu,LAI Shu-fa
（College of Information Engineeing，Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China）

To meet the requirement of high speed and low power consumption in AC power monitoring system on smart home applications,using TI's low-power chip Msp430f149 as the main chip and developing with its rich hardware resources, introducing a newly developed data-processing algorithm,the research designed a simple and practical AC power monitoring system.Combining hardware circuit experiment in laboratory to verify that it reduced power consumption by nearly 20%, compared with the ordinary power meter,when satisfying the requirement of high speed and accuracy.The system is mainly used in smart home electricity supply process,researching the design and implementation of power monitoring and current, voltage waveform reduction and safety automation and other related functions.

smart home；AC sampling；Msp430；power monitoring

TN99

A

1674－6236（2015）10-0106-03

2014-08-21 稿件編號：201408122

王 威(1992—)，男，江西吉安人。研究方向：電子信息工程及自動控制。