基于CS5460芯片的智能家居用电监控装置设计

2014-08-07彭桂力潘雷王秀丽李维

微型电脑应用 2014年10期

彭桂力，潘雷，王秀丽，李维

彭桂力，潘雷，王秀丽，李维

随着近年智能电网与阶梯电价理念的提出，科学用电已经越来越受到居民的重视。电力系统中实时监控、采集电力参数是实现智能家居的重要环节，快速准确地采集用电系统中各用电设备的电参数(电压,电流, 功率,功率因数等)是实现智能家居不可或缺的重要因素。提出了一种基于SOC系统的用电监控装置，可对用户用电量进行实时监控，同时，利用wifi技术传入网络平台上，该平台上可以将所有电器的耗电数据收集到服务器中，进行监控。而后，通过wifi无线网络控制电器，从而达到节省家庭电费的效果，同时，网络平台也可以将数据传给电力系统中，对数据进行分析，得到各个用户家庭用电情况，采取相应措施，最终达到节能效果。

实时监控；电量检测；节能；无线控制

0 引言

能源问题是制约当今国民经济的核心问题，其中电力能源是重中之重，如何进行电力的节能问题是当今研究的核心。智能电网理念和国家阶梯电价的提出，让人们更加认识到电力节能的重要性，基于无线网络的智能家居电能计量和监控方案已逐步形成，这意味着电力节能已经向个人家居迈进。2012年6月，天津开始实行了阶梯电价，电价将随着用户均消费电量的增长，成阶梯型逐级递增，用户用电量越多价格越高。基于节能的考虑和用户用电的知情权，用户和用电单位急需要了解自身的用电情况，一年内到底用多少电，哪些用电器是比较耗电的，如何通过某种方式来节省用电。基于这种考虑，本文提出一种以用户和用电单位为服务对象的，以电量采集和控制为核心的智能家居电量采集装置，这个装置可以实时地监控家中的各个用电器，同时，记录每一个用电器的用电量，进行总结分析，可以将不必要的用电器进行关闭，这样将有助于用户和用电单位成本的降低。

智能家居电量监控装置是实现对家用电器电量的进行测量、统计、记录为一体，同时，可以通过wifi网络对用电器远程控制。装置所采集的电量参数主要包括电压、电量、功率、功率因数等。作为数据电量的采集单元，它能够实时采集该用电器的用电信息，实时传送到系统终端上。当发现用电异常时，该装置可以自动断电起到保护用电器的作用，当发现该用电器一直处于开启状态并没有人利用时，也可以通过远程手动进行关闭。

本设计装置分别利用电流互感器和电压互感器采集流入电器的电流和两端的电压，并通过A/D进行转换。然后将数字量输入SOC系统进行处理，计算出电压、电流、功率等数值。

1 系统总体设计

本系统总体设计主要包括控制中心、采集模块、无线传输模快等主要单元。以STC90C516RD机为主要控制芯片，该装置启动后，实时监测多个家用电器的耗电量，并能通过无线传输将该网络中所有用电器的耗电数据上传到终端中，存储在智能家居电量监测终端上，通过终端对家用电器的数据进行显示与分析。如果出现过电流和失压的现象，该装置内部设计的蜂鸣器将会持续响30s以示提醒，并通过控制电路切断电源，以保护用电器，并且该报警事件可通过网络协议发送至电脑终端。如果该用电设备一直处于工作状态，但是并没有人操作，这时通过无线网络对用电器进行关闭，从而达到节能的目的。

该装置能准确地测量家用电器的电压等参数，并能实时监控家用电器的状态，安装和使用方便，市场前景比较广阔，还可以将其广泛应用于各种大型用电设备的监控中，将各种用电设备数据接入互联网，真正做到实时监控用电器，让用户对自己的用电量有一定的认识，合理的分配用电器的开关状态，达到保护和节能的目的，同时还可以利用现在的远程控制技术，利用网络监控用电设备的运行，更加方便快捷。

系统的总体结构图如图1所示：

图1 系统总体结构图

2 电路的设计

本系统终端的电量采集单元可以实时地采集用电设备电压、电流、功率等参数。主要的电量采集芯片选用了专用的功率测量芯片CS5460A，该芯片精度高且硬件设计简单，使用方便。通过电压互感器DL-PT202D和电流互感器DL-CT1005A分别采集到电压、电流信号，并通过流/压变换电路转换信号，输入电量检测芯片CS5460A模拟信号输入端，芯片就可以由内部的电能自动计算函数计算出该用电器的瞬时电流、瞬时电压、电流有效值、电压有效值、电能等各种参数，并按类型存入相应寄存器中。利用单片机STC90C516RD就可以直接从CS5460A的寄存器中读出相应的参数，然后在单片机中进行存储和分析，如果发现参数不对，出现失压和过流现象，就可以利用单片机进行切断电源的控制，从而达到保护电路作用，也可以将数据实时存储在单片机的Flash中。

将采集到的数据和信息通过WIFI模块进行无线发送，用其替代数据处理模块和数据通信模块，微控制模块HLK-WIFI-M03通过双向串行接口与电量检测芯片相连，读取测量的各种电参数数据，并通过内部的通信电路将测量结果向智能控制终端进行发送。

智能控制终端负责监控出本装置检测出的各项实施电量信息并控制用电设备开关的通断，这项控制命令由WIFI微控制器发出，传达到单片机上，然后利用单片机对控制单元进行下达命令，利用继电器的通断，来完成通断电以达到控制的功能。

智能家居用电监控装置硬件部分主要由供电单元、电量采集单元和单片机及其外围电路组成，系统构成方框图如图2所示：

图2 硬件电路构成方框图

2.1 电量采集电路

电量数据采集单元是智能家居用电监控装置的重要部分，也是保证该单元的电量检测精准度的重要环节。数据采集单元主要由电压采样电路、电流采样电路、电量检测专用芯片CS5460A等构成。

首先，该装置通过电流互感器和电压互感器采样之后得到的电压电流值，电压互感器采用DL-PT202D，它体积小、精度高、一致性好、专用于电力测量，是电流型电压互感器，用于测量交流电压信号。输入额定电流为2mA，额定输出电流为2mA。同时，采用的电流互感器DL-CT1005A也是专用于电力测量和保护，输入额定电流为10A，额定输出电流为5mA。

将采集到的电压电流数据输入CS5460A芯片，该芯片的电流和电压输入通道皆采用差分输入，电流通道根据增益设定的不同（为10或50），相应的输入电压范围为250mV或50mV，电压通道输入范围为250mV。该芯片是具有有功功率计算引擎的CMOS单片功率测量芯片，它包含了两个ΔΣ 调制器、两个增益可编程放大器、两个高速滤波器，具有有效值/功率计算和系统校准功能，以提供瞬时电流/电压/功率数据采样及IRMS 、VRMS、有功能量的周期计算结果。该芯片价格低廉，应用广泛，能在给定引脚上输出脉冲串，输出的脉冲数与有功能量寄存器的数值成正比。电压

The Design of Power Monitoring Device of Smart Home Base on CS5460

Peng Guili, PanLei, Wang Xiuli, Li Wei
（1. Automation and Mechanics Engineering Tianjin ChengJian University, Tianjin300384,China; 2. Tianjin Lishen Battery joint–stock Co., Ltd. Second Division, Tianjin300384,China;）

In recent years, with the concept of smart grid and ladder electricity price，the scientific use of electricity has been increasingly emphasized. The implementation of real-time monitoring, collecting power parameters is an important part of the Smart Home. How to rapidly and accurately collecting electricity from electrical equipment of the system parameters (voltage, current, power, power factor, etc.) is an important factor in achieving the indispensable Smart Home. A system based on SOC is proposed ----electric monitoring device. This device can conduct real-time monitoring on household appliances power consumption and transmits network platform by wifi technology. This network platform can collect all electrical power consumption in data to the server and then control the electric equipment by wifi wireless network, so as to achieve electric appliances through the effect of power to save electricity charge. Meanwhile the network platform data also can be transferred to the power system to analyze the data. This aims to obtain user’s household electricity situation and takes appropriate measures to achieve energy savings.

Real-Time Monitoring; Power Detection; Saving Electricity; Wireless Control