智能计量与开关控制插座的控制设计※

2013-09-25唐俊张忠明谭永东高鹏

单片机与嵌入式系统应用 2013年11期

唐俊，张忠明，谭永东，高鹏

（西南交通大学电气工程学院，成都610031）

1 研究背景及意义

家庭能量管理系统（Home Energy Management System，HEMS）是利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术、电子微电子技术，满足个性需求的新科技系统［1]。智能插座是家庭能量管理系统不可缺少的重要组成部分，它是实现家庭能源管理的重要手段和途径。本文设计的智能计量与开关控制插座是西南交通大学2011年国家创新项目“家庭能量管理系统设计”中的重要组成部分。该系统由智能手表、控制终端LM3S9B96、再生发电部分以及本文设计的智能插座组成。该项目于2012年11月结题，通过验收。

2 智能计量与开关控制插座的硬件选型

本文设计的智能计量与开关控制插座由三部分组成：计量插座模块、无线模块以及继电控制模块。智能计量与开关控制插座可以实现对家用电器的电气信息实时监测，实现对电能计量的管理以及对电源的远程开断控制。

2.1 计量插座模块

计量插座采用的是TI公司的LSDIS02RS1CS智能计量插座，其主控芯片为MSP430AFE253。MSP430系列单片机：处理能力强、运算速度快、超低功耗、单片机内部资源丰富、开发环境高效［5]。

2.2 无线模块

无线模块采用TI公司的CC430单片机，其内核为CC430F5137芯片，使用EZ430－RF5137开发工具进行开发。

开发过程中外部连接主要用到P1.6－TX（5号引脚）、P1.5－RX（6号引脚）、AVCC（45引脚）、AVSS（42引脚，即GND）和P1.0（13号引脚）。其中，P1.6－TX、P1.5－RX用作串口传输；P1.0用于开关控制输出；AVCC供电使用，AVSS接地。

2.3 继电控制模块

继电控制电路如图1所示。光耦采用PC817型号，继电器采用ZHNQI Q3F－1Z，VCC工作电压采用9V的直流电源，图中插脚（CHA JIAO）是为计量插座准备的，I／O接口与无线模块的P1.0引脚相连。

具体的工作过程如下：当无线模块收到上层控制终端的断开电源命令，其P1.0引脚输出高电平，光耦P817导通，继电器两端得到电压，达到启动标准的电流，继电器动作，开关打到3引脚，220V侧电源断开，插座停止工作。其中继电器的默认状态为常闭状态，I／O接口电压默认为低电压（为0）。

图1 继电控制电路

网络技术支持略——编者注。

3 通信协议设计

3.1 自定义通信协议设计

自定义了外部通信协议，它是参照101协议进行定义的。

3.1.1 插座与终端的数据交换

智能计量与开关控制插座所涉及的数据类型具体如表1所列。

表1 插座数据设定

3.1.2 报文格式

报文由启动字符（68H）、应用层公共地址（1个字节）、类型标识（1个字节）、数量限定词（1个字节）、信息体地址（2个字节）、信息体元素（2个字节）和结束字符（16H）构成。下面对各部分具体的情况作简要介绍。

（1）应用层公共地址

公共地址是子站的标识。主站下发的报文中，标识接收站；子站上传时，标识发送站。链路地址域占1个字节。详细的地址如表2所列。

注意：当传送数据对象的数据为08H时代表发送端向其余所有终端发送数据（指令），即每一个终端除了01H～06H的地址外，自身还附带08H的地址，例如02H和08H均代表智能开关（1）。

表2 应用层地址

（2）类型标识

类型标识的意思是当发送命令时，对该串指令到底是让对象做什么的一种解释、说明。类型标识说明略——编者注。

（3）数量限定词

数量限定词的作用在于说明传输信息体中元素（数据）的个数。

（4）信息体地址

信息体的地址是用来表明数据类型的。详细的地址略——编者注。

3.1.3 无线模块与终端的基本对话过程

协议的基本对话过程有：初始化、数据传输以及远程遥控。

（1）初始化

当主站启动或通信中断后，主站发出“请求激活”指令，等待与子站建立通信联系。子站在接收到指令后，跳出睡眠模式，向主站发送“激活确认”指令。例程如下：

①广播激活：（只能由LM3s9B96实现）

M－＞R：68 08 01 00 16

R－＞M：68 01 02 00 16

②点对点激活智能开关：

（2）数据传输

当智能计量与开关控制插座接收到来自上层的数据读取指令时，插座将当前的电压、电流等用电信息发送给上层。此处的上层既可以是LM3s9B96的控制终端，也可以是遥控的手表。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向插座请求数据，插座回复两个数据：电压（1001）2330／10＝233V，电流（1002）0005／1000＝0.005 A。可以把所有的电参量信息打包后发送。（手表的读取命令与之相同，但回复的地址要变化。）

（3）远程遥控

当上层给插座发送开关控制命令时，插座响应该命令，继电器动作，闭合或断开插座，并在动作之后发送确认指令。例程如下：

手表向插座发送断开指令，插座回复断开确认。当然，LM3S9B96的控制终端亦可发送开关控制命令，此时，回复的地址就会发生变化。

（4）数据格式说明

开关状态（两个字节表示）中0000代表断开；0001代表闭合。电压、电流、功率测量量（两个字节表示）只传输整数部分，如220V标识为00 22。功率因数：传送小数点后数值部分（保留两位），例如功率因数为0.8，则传输数据位8000H。

3.2 计量插座与无线模块传输协议

无线模块（其内有单片机）为主站，计量插座为从站。具体协议请参照LSDIS02RS1CS智能计量插座的串口通信协议。

4 通信软件实现

4.1 写入无线模块的主程序

写入无线模块的主程序主要包括初始化程序、各种中断服务程序、通信处理程序和开关控制程序。程序流程图如图2所示。说明了智能计量与开关控制插座的整体构成和各部分之间的关系。

图2 智能计量与开关控制插座整体框图

程序的总体流程图如图3所示。下文提供了写入无线模块的部分程序。

图3 程序流程图

4.1.1 UART串口初始化

初始化的内容是定义引脚的作用和功能，确定时钟的选择，以及采用何种波特率进行传输。该初始化程序定义P1.6、P1.5引脚作为UART的TX、RX使用，确定采用SMCLK（子系统时钟）作为UART的时钟源，采用9 600 bps作为传输的波特率。

初始化程序如下：

4.1.2 UART串口中断程序

使用串口中断程序主要是为了提高收发速度，使接收和发送互不影响，达到全双工通信效果。同时，程序不用等待，以最高效率运行。该段串口中断程序实现数据接收时触发中断，将接收到的数据保存到m＿strUart.UartRx－Buf数组中。中断程序如下：

无线通信程序、RS232串口通信略——编者注。

4.2 TI LSDIS02RS1CS型计量插座内部程序解析

LSDIS02RS1CS型号的计量插座能够实现当前电压、电流、频率的测量，并根据测量的值计算出有功功率等电量值。通过分析插座的内部程序，可以解析得到具体的程序流程，如图4所示。

通过对读写程序的解析，并根据插座与外部通信的协议，可以通过串口获得当前用电器的各项用电参量数值。

图4 计量插座内部程序流程图

5 系统调试

本文使用IAR Embedded Workbench（简称IAR EW）嵌入式系统开发工具实现程序的编译和运行。

本次设计的智能计量与开关控制插座由计量插座、无线模块和继电器控制部分组成。调试时控制终端用PC机代替，即用USB口连接有无线模块的笔记本电脑，由此读写程序。智能计量与开关控制插座的连接情况是计量插座连接家庭电源电路，将接入继电器控制的普通插座插入计量插座，其中无线模块和继电控制电路焊在一块电路板上，用导线将无线模块与计量插座的RS232口相连，用电器接在普通插座上智能计量与开关控制插座外观图略——编者注。

当整个智能计量与开关控制插座正常工作时，插在普通插座上的用电器（白炽灯）正常工作（点亮），且无线模块实时将用电状态反馈给控制终端。当无线模块收到继电控制信号后，插座的无线模块的P1.0端口（引脚）输出高电平，继电器动作，断开电源，普通插座断电。但计量插座与无线模块仍能继续工作。

在调试过程中，可以在笔记本电脑上使用串口调试精灵查看接收和发送的结果，并与计量插座监测到的数据比对，进行程序修正。