基于功率计量的智能插座设计与实现

周礼达, 张佳卿, 李勃

(1.上海软中信息技术有限公司, 上海 200000 2.上海计算机软件技术开发中心, 上海 200000 3.上海产业技术研究院, 上海 200000)

基于功率计量的智能插座设计与实现

周礼达1, 张佳卿2, 李勃3

(1.上海软中信息技术有限公司, 上海 200000 2.上海计算机软件技术开发中心, 上海 200000 3.上海产业技术研究院, 上海 200000)

随着科技的发展，电器产品种类愈发丰富，电器的管理和安全成为了新挑战。提出了一种新型智能插座，该插座通过对某一电器运行功率进行检测，从而控制联锁开关，有效地节省其余电器待机状态能耗。实验结果表明产品能够准确实现功率计量、有效实现联锁控制，方便电器管理，减少电器待机时间、节约能耗。

功率计量； 智能插座； 联锁控制

0 引言

随着科技的发展，电器产品种类变得越来越丰富，便捷了人们的办公生活方式，同时也给管理和安全带来了挑战。传统智能插座以缩减待机能耗[1]为研究方向，而新型智能插座主打手机控制或远程遥控[2-4]，改变了人们日常电器使用习惯。现代办公生产环境、家庭生活环境中诸如PC和测试仪器、电视机和机顶盒等共同使用的电器种类越来越多。本文设计了一种智能插座，通过计量插座内主用电器的功率来判决其余设备运行状态，以实现主用电器待机状态下切断插座内共同使用的电器，或启动插座内共同使用的电器，方便日常电器管理，在不改变传统使用方式的情况下节省了电能。

1 智能插座结构设计

智能插座整体结构,如图1所示。

图1 智能插座整体结构

MCU选用STM32F103C8T6，它使用高性能的ARM CortexTM-M3 32位的RISC内核，工作频率72 MHz，内置3个通用16位定时器，3个USART接口，完全支持实现整个智能插座的管理及控制。电源模块提供各个模块单元的供电，实现从220 V到3.3/5 V的电压转换。功率计量模块针对主孔位的电器负载进行功率计量，判断电器运行/待机状态，功率计量选用CSE7759，它是一款单相多功能计量芯片，支持电压、电流、功率和电量测试，成本低廉，适合电能表、计量插座、数显表等应用。控制驱动模块实现对联锁孔位的开关，为提高开关安全和开关寿命，宜选用晶闸管[5]BTA10-400控制并用光耦进行电气隔离。为了适应人们传统的电器使用习惯，智能插座采用静默方式实现控制，无需远程遥控，因此只需选用蓝牙模块以实现门限判决等配置功能。

2 功率计量

2.1 功率计量电路

功率计量电路选用单相多功能电能计量芯片CSE7759，芯片采用SOP8封装，具有体积小巧、测量精度高、外围电路简单等特点，适合于电能表、计量插座等应用。其典型应用电路,如图2所示。

图2 功率计量电路

在芯片电源端，并联两个小电容，滤除来自电网高频及低频噪声。电流信号u1经过锰铜电阻采样后接入芯片，电压信号u2通过电阻网络降压后接入芯片。CSE7759内置24 bit Sigma-Delta ADC模块以及DSP模块，可提供有功功率、有功能量、电流有效值、电压有效值的计量，并以脉冲方式输出。

2.2 功率计量与校准

CSE7759的内部DSP具有一定的增益，经过频率转换模块后，有功功率的输出频率理论值,如式(1)。

(1)

其中V1、V2为电流、电压信号，fosc为内置晶振，典型频率3.579 MHz，VREF为内置基准源，典型电压为2.43 V。

受限于外围采样器件，如图2中的锰铜电阻、采样电阻的误差，实际测量得到的频率与理论频率(公式1计算所得)误差较大，所以需要对频率进行校准。由公式(1)可知功率计量时功率与频率成线性正比关系，因此功率计量时,如式(2)。

(2)

其中Pcal为校准功率值，Tcal为校准功率值实测到的周期值，T为待计量有功功率值实测的周期值。

2.3 脉冲频率测量

功率计量通过测量CSE7759的CF引脚输出频率来计算功率，MCU通过脉冲周期测量来获取频率信息。功率计量所测频率根据功率大小成反比例动态变化，具体输出在0-2 kHz之间，处理器在测量高频脉冲周期时会产生较大误差。考虑测量精度和测量效率的关系，推荐采用分段测量的方法[6-7]，当检测为高频脉冲时定时测量单位时间内的脉冲个数；当检测为低频脉冲时直接测量单个脉冲周期，处理器脉冲频率测量流程图如图3所示。

图3 脉冲频率测量流程

3 校准与测试

3.1 计量芯片校准

智能插座在正式电量参数测量前需要对计量芯片CSE7759进行校准，以提高电量采集的精密度[8]。通过使用标准交流电源、参考负载对智能插座进行校准，功率校准计算方法参考式(2)。参考负载分别选用额定100 W、1 000 W的纯阻性负载。测试结果,如表1、表2所示。

表1 使用1 000 W负载校正后的功率

表2 使用100 W负载校正后的功率

为获取小功率时的计量准确度，建议选用小功率的负载进行校准。

3.2 智能插座测试

智能插座设计目标通过功率计量切断插座内其余插孔电源。测试实验方法：将测试设备接入主孔位进行功率计量，并接入功率计分别测试运行功率、待机功率10次，记录并求取平均值。选用稳压电源，电烙铁作为负载接入联锁孔位，通过手机根据不同测试设备的功率平均值设置判决门限，延时时间10秒，具体设置,如表3所示。

表3 智能插座测试设置值

测试结果：智能插座设置后，根据测试设备待机或运行状态，插座能够有效切断或恢复对联锁孔位的负载供电。

4 总结

基于功率计量的智能插座，可以有效提高传统插座的智能化水平，通过功率计量有效切断相关电器电源，解决了生产办公、日常生活中电器管理的不便。智能插座可以有效应用于智能家居、日常办公、实验开发等环境，提高管理效能、节省电量。

[1] 韩强, 陈金周, 冯小军,等. 智能节能插座的研制[J]. 家电科技, 2014(8):74-76.

[2] 孙杰, 胡乃军, 郭志卓. 基于物联网的智能插座设计[J]. 中国科技信息, 2015(5):96-98.

[3] 高雄. 智能家居系统中智能插座的设计[J]. 信息技术, 2016(10):168-171.

[4] Cho W T, Ma Y W, Huang Y M. A Smart Socket-Based Multiple Home Appliance Recognition Approach over IoT Architecture[J]. Journal of Internet Technology, 2015, 16(7):1227-1238.

[5] 孙茂超. 物联网环境下智能插座的设计[J]. 电子制作, 2015(6):53.

[6] 陈园园, 袁焕丽. 基于单片机的脉冲频率测量系统的设计[J]. 智能计算机与应用, 2016, 6(4):83-84.

[7] 殷勤奋, 汤宇. 浅析几种基于单片机的数字频率测量仪的设计[J]. 教育教学论坛, 2011(14):229-230.

[8] 李伟, 李一真, 王志梁,等. 基于物联网技术的智能插座设计与实现[J]. 山东电力技术, 2015, 42(6):55-58.

Design and Implementation of Smart Socket Based on Power Measurement

Zhou Lida1,2,3, Zhang Jiaqing2,3, Li Bo3

(1. Shanghai Softline Information Technology Co., Ltd., Shanghai 200000, China;2. Shanghai Development Center of Computer Software Technology, Shanghai 200000, China;3. Shanghai Industrial Technology Insitute, Shanghai 200000, China)

With the development of science and technology, there are more and more electrical appliances. It has become a new challenge to manage and secure electrical appliances. This paper designs a new type of smart socket, which can control the interlock switch by detecting the power of an electrical appliance and save the energy consumption when the electrical appliance is running on the standby state. Experimental results show that the product can measure the power accurately, realize the interlock control effectively, manage electrical appliances conveniently, reduce the standby time of electrical appliances, save power consumption.

Power measurement; Smart socket; Interlock control

周礼达(1985-),男,宁波,工程师,本科,研究方向:嵌入式。 张佳卿(1986-),男,南昌,工程师,本科,研究方向:嵌入式。 李勃(1983-),男,太原,本科,研究方向:计算机。

1007-757X(2017)06-0071-02

TP311

A

2016.12.30)