基于物联网技术的智能插座设计与实现

李伟，李一真，王志梁，石震，孙二杰

（1.山东建筑大学信息与电气工程学院，济南250101；2.国网山东节能服务有限公司，济南250101）

基于物联网技术的智能插座设计与实现

李伟1，李一真2，王志梁2，石震1，孙二杰1

（1.山东建筑大学信息与电气工程学院，济南250101；2.国网山东节能服务有限公司，济南250101）

简述智能用电系统的基本组成及工作原理，提出智能用电系统中智能插座的设计方案；针对传统插座的不足，阐述了智能插座的优势以及各组成部分的电路原理；描述了电量计量原理、校准步骤及上位机软件设计。

智能用电系统；智能插座；电量计量

0 引言

随着我国经济的迅猛发展，我国建筑耗能高的问题日益突出。在我国现有的约430亿m2建筑中，只有4%采取了节能措施，单位建筑面积能耗为发达国家新建建筑的3倍以上［1］。目前，我国在用电技术方面还比较落后，大部分采用传统的开关，智能用电技术应用较少，这也是造成能源浪费的一个重要方面。建筑智能用电作为建筑节能的重要方面，迫切需要建立效率高、成本低的建筑智能用电系统以减少建筑用电能耗问题。

智能用电系统中，智能插座意义重大。设计一种新型智能插座，可以实现电压、电流、有功功率、无功功率、电量等的测量，并可实现防窃电、高温报警、过载保护、定时通断、状态提示等智能功能。可以实时检测电器的工作状态，关闭处于待机状态的电器设备，减少能源的浪费。同时还可以分段定时根据自己的需求设置不同的时间段开启电器设备。

1 系统总体架构

智能用电系统主要实现环境信息的采集、数据的汇总、电器的智能控制，实现用电智能化和环境舒适化，包括无线环境参数监测节点（温湿度、光照、CO2等传感器设备）、无线智能开关、无线智能插座、智能电表、智能网关、房间控制器7个部分。智能用电系统的总体架构如图1。

智能用电系统采用数据采集、嵌入式、无线通信、计算机等技术。系统中传感器检测室内的环境参数、用电量信息，通过无线网络传送到房间控制器；房间控制器既是室内所有传感器设备信息的汇总，也是控制策略的载体。房间控制器将收集的数据通过智能网关上传至监控中心；同时，数据通过LAN总线经过路由器到达Internet，用户可通过手机登陆网络获取建筑内的环境信息及用电信息，实现用电的智能化。

智能插座在智能用电系统中起着重要作用，负责电量信息的采集以及控制策略的实施，控制电器的工作，保证用电的智能化。

2 智能插座的硬件设计

2.1 智能插座的结构

智能插座结构组成如图2所示，包括MCU、无线通信模块、电量计量模块、温度检测模块等。

图2 智能插座结构

2.2 电源模块

电源模块采用开关电源电路，避免频繁更换电池带来的不便。与普通的稳压电源相比，开关电源成本低、效率高、寿命长、能耗低。其核心芯片TNY254P有较大的电压输入范围，保证了电路稳定性；开关频率是44 kHz，有效减少电磁干扰；变压器的输出功率可达2.5 W，保证了电路的正常工作。电源模块原理图如图3所示。

2.3 电量采集模块

电量采集模块采用RN8209电量计量芯片，能够采集单相电路的电压、电流、有功功率、无功功率等参数，支持IEC62053-22：2003标准，可支持SPI和USART接口与处理器通信。具有体积小、精度高、功能强等优点。

图3 电源模块原理

电流采集时，火线的输入端经过0.56 μΩ锰铜电阻，产生微小的压降，锰铜电阻两端经过1 kΩ电阻连接到电流通道A的正负模拟引脚，采用完全差分输入方式，经过芯片内部的处理，从寄存器中可以读取24位的电流有效值，经过数据处理可以得到电流值。

电压采集也是通过差分输入方式，零线经过496 kΩ的电阻，为了降低功率采用多个电阻串联的方式，1 kΩ电阻分得的电压输入到电压通道的正模拟输入引脚，电路通道的负模拟引脚经过1 kΩ电阻与地相连经过芯片内部的处理，从寄存器中读取24位电压有效值，经过数据处理可以得到电压值。

电流通道B通过电流互感器，取得零线上的电流，与电流A通道采集到的电流值相比较，如果不一样说明有窃电现象。有功功率、无功功率都可以通过读取寄存器获得。其原理图如图4。

图4 电量采集模块原理

2.4 智能插座通断电路

智能开关的通断电路选用晶闸管来实现的，为了解决强弱电的电气隔离问题，采用光电耦合的方式来实现晶闸管的开关。光电耦合实现了“电信号—光信号—电信号”的转换，避免了电信号与电信号转换引起的过压。智能开关的最大负载可以达到16 A，可以有效地控制大功率电器，如空调、微波炉等。电路图如图5所示。

图5 智能插座通断电路

2.5 无线通信模块

智能插座选用433无线通信模块，与蓝牙、WIFI、ZigBee等无线通信模块相比，433具有价格低、传输距离远、可操作性强等优点，可以对其进行二次开发。

433模块的核心芯片是C1101，它是一种低成本的UHF收发器，内部集成了一个可配置的调制解调器。该调制解调器支持多种调制格式，传输速率最高可达500 kbit／s。通过开启集成的调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升［2］。CC1101可用作一个低IF接收器，接收的RF信号通过低噪声放大器放大，再对中间频率求积分来向下转换［3］。在IF下，I／Q信号通过ADC被数字化，自动增益控制、细微频率滤波和解调位／数据包同步均数字化地工作［4］。CC1101的发送器部分基于RF频率的直接合成，频率合成器包含一个完整的芯片LCVCO（压控振荡器）和一个对接收模式下的向下转换混频器产生I和QLO信号的90°相移装置。

433模块通过SPI通信方式与单片机交互，单片机发送的数据通过433模块后以广播形式向外传输，所有模块都可以收到数据，每个模块根据制定好的通信协议，判断数据是不是本身所需要的，即可实现数据的透传。由于433是透传模块，在两个相邻的模块同时向外界传输时，存在无线冲突的问题，采用载波检测的方法，通过制定的协议栈，由通信仲裁判断通信优先级，有效地解决了此问题。

2.6 温度采集模块

采用DS18B20芯片，测温范围为-55～+125℃，并且在-10～+85℃精度为±0.5℃。此外，DS18B20能直接从单线通信线上汲取能量，除去了对外部电源的需求［5］。当温度异常时，蜂鸣器会报警。

3 上位机软件设计

上位机软件平台采用C＃开发语言，采用SQL SERVER数据库管理数据，使用Visual Studio软件工具编写代码。图形化管理工作SQL Server Mangement Studio Express方便用户进行数据的开发包括关键任务企业数据平台、关系数据、动态开发。上位机对数据进行分析、存盘、综合处理、打印、报警、图形显示、人机对话，并可通过数据传送对下位机进行控制。

在软件的设计过程中，人机界面非常重要，因为它直接与用户产生信息交流。友好的人机界面，要求能真实再现控制设备状态以及准确显示采集到的参数信息。整个人机界面包括节点选择、节点控制以及电量、电压、电流、有功功率的显示，各画面间可以相互切换。当然也可根据用户习惯设计适合用户的人机界面，具有很好的灵活性。

在物联网应用中，收集到的感知节点信息，要进行数据显示，并实现电器的智能控制，此软件主要由两部分组成，数据收发部分和显示部分。

数据收发指的是与嵌入式网关间数据的收发。两者是通过无线网络连接的，应用TCP／IP的Socket套接字编程，嵌入式网关在和上位机通信中做服务器，上位机作为连接发起方［6］。显示部分使用C＃编写的运行于Windows.Net Framework上的窗体应用程序，当房间内发现异常时，显示界面的会改变文字颜色来提醒监视人员。同时，采用辅助设备绘制出数据的曲线图，方便监控人员的观察。界面清晰直观，简便易用。房间控制器界面如图6所示。

图6 房间控制器界面

4 智能插座的校准及测试

4.1 智能插座的校准

电量测量模块在测量电量参数前需要对RN8209G芯片进行参数校正，以提高电量采集参数的精密度。通过标准电能表对RN8209G电量测量模块进行校表，其校表流程如图7所示。

图7 校表流程

1）参数设置。

参数设置主要包括：B通道ADCON（地址常数）设置、ADC增益选择、HFConst（电表常数）设置、启动电流设置、能力累加模式设置、其他参数设置等。

采用RN8209的外部晶振为3.579 545 MHz时HFConst=int［1.28528×1016Vu·Vi／（EC·Un·Ib）］（1）式中：Vu为电压通道电压；Ib为额定输入电流；Vi为电流通道电压；Un为额定输入电压；EC为电表参数。

2）有功校正。

若标准表在A通道输出最大额定电流，相位差为180°，读出误差为e，则通过式（2）计算Pgain（有功增益），如果Pgain≥0，则通过式（3）计算GPQA（通道A功率增益）；如果Pgain<0，则通过式（4）计算GPQA。

3）有效值校正。

有效值校正包括：电流补偿校正、额定电流校正、额定电压校正等。

4.2 智能插座的测试

校正完毕后，用智能插座连接灯泡，进行测试。测试插座通断的控制，以及电压、电流、功率的测试。智能插座可以有效地控制灯泡的亮灭，并可测量电压、电流、功率等参数。图8为房间控制器测试数据界面。

图8 房间控制器测试数据界面

5 结语

基于物联网技术设计的智能插座，可以有效解决传统插座智能化低、危险性高、功耗大的问题，加入了防窃电、电量采集、智能控制、高温报警等功能。智能插座可以有效应用于建筑智能用电系统中，为控制策略的实施提供有力的支持。

［1］李英子，张超.对我国建筑节能趋势的预测与分析［J］.经济师，2010（3）：20-22.

［2］孔凡军，李际平，杨伏华.基于CC1100的无线数传系统设计与实现［C］.北京：中国通信学会第五届学术年会论文集，2008.

［3］李晶.基于CC1101的短距离无线通信网络的设计［D］.成都：电子科技大学，2011.

［4］郝毫毫.基于CC1101的大容量数据无线传输方法［J］.测控技术，2013（2）：20-22.

［5］王建平，焦国太，季伟，等.基于单片机的无线温度数据传输系统设计［J］.机电技术，2011（4）：14-17.

［6］姚晓峰，张春光.Socket编程技术在嵌入式网关开发中的应用及JAVA实现［J］.工业控制计算机，2006（2）：21-22.

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

李伟（1990），男，硕士研究生，从事建筑智能用电的研究；

李一真（1981），男，工程师，从事建筑节能方向的研究；

王志梁（1982），男，工程师，从事建筑节能方向的研究；

石震（1990），男，硕士研究生，从事建筑智能用电的研究；

孙二杰（1990），男，硕士研究生，从事建筑智能用电的研究。