节能型无线遥控智能插座的功率分配系统研究

马艳

摘 要： 对智能插座的功率分配系统进行设计是建设节约型社会过程中较为重要的一部分，为此，提出一种节能型无线遥控智能插座的功率分配系统设计方法，对系统中的接口电路进行设计，保障电路中的信号不受强电干扰，提高系统的稳定性。采用具有功耗小、体积小的SoC单片机作为系统的控制核心，减少系统在工作中的能量消耗，在不影响系统正常工作的情况下，将定向耦合器应用到系统中，提高系统的功率分配效率。实验结果表明，所提方法的能耗小、功率分配效率高、稳定性强，具有很高的实用价值。

关键词： 节能型; 无线遥控; 接口电路; 智能插座; 功率分配; 定向耦合器

中图分类号： TN710?34; TM503.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）09?0142?05

Abstract： The design of the power distribution system of the intelligent socket is a more important part in the process of building a conservation?oriented society. Therefore， a design method of power distribution system for energy?saving wireless remote control intelligent socket is put forward. The interface circuit in the system is designed to ensure the signal in the circuit against the strong electric power and improve the stability of the system. The SoC single chip microcomputer with low?power consumption and small size is taken as the control core of the system to reduce the energy consumption of the system while working. The directional coupler is applied to the system to improve the power distribution efficiency of the system without affecting the normal operation of the system. The experimental results show that the method has low energy consumption， high power distribution efficiency， strong stability， and high practical value.

Keywords： energy?saving type; wireless remote control; interface circuit; smart socket; power distribution; directional coupler

0 引 言

当前市场的插座功能较为单一，其功能大多为用电的各种设备准备电源接口。目前市场上销售插座的厂家较多，但其中并没有成熟的智能化和信息化功能通用的插座[1]。针对空调、电脑、饮水机、家庭影院和电视等用电设备设计智能插座，智能插座根据其智能电路实现自动断电，具有明显的省电效果，是建设节约型社会过程中较为重要的一部分[2?3]。

在我国电力系统的数字化改造中，功率分配具有重要意义。对智能插座的功率分配系统进行设计，可以对用户电能的使用行为进行有效限制[4]。既可以在用电高峰期限制大负荷电器的使用行为，又可以满足用户生活的基本用电要求[5]。

1 功率分配策略

功率配置过小或过大都容易造成能耗的浪费和日常用电设备不能正常工作的问题[6]。为了让智能插座正常地高效运行，需要对功率进行合理的分配[7]。功率分配中的关键点是实现功率配置[8]，采用软件编程实现智能插座通道的自动管理和分配[9]。在节能型无线遥控智能插座的功率分配系统设计中，主通道不断电的设置通过设定优先级完成，智能插座连接的每个用电设备用户都可以开启，当开启智能插座的某个主通道时，智能插座其他通道连接的用电设备的功率容量大于容量的限制，节能无线遥控智能插座的功率分配系统的控制中心会控制该通道关闭，以满足主通道所连接的用电设备的用电需求。

2 主要功能设计

节能型无线遥控智能插座的功率分配系统由功率负载、功率分配器、定向耦合器和功率源组成，节能型无线遥控智能插座的功率分配系统架构图如图1所示。

定义功率接口的软件和硬件标准以实现信息和功率的有效传递。在节能型无线遥控智能插座的功率分配系统中，功率分配系统的核心是实现功率分配，智能插座功率分配系统的基础是功率器件。

2.1 数字接口

节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的功率接口在原有地线、零线和火线的基础上，增加配置了数字接口，数字接口具有即插即拔的特点，其接口方式与USB的接口方式类似，数字接口的内部和外部分别为信号线和金属层地，节能型无线遥控智能插座的功率分配系统中数字接口如圖2所示。

插座与插头相匹配，插座内部含有簧片，其作用是保证线路的可靠连接。接口电路中信号线设置在内部，以外部为地进行设计，保障电路中的信号不受强电干扰，提高了节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的稳定性。为了适应节能型无线遥控智能插座的功率分配系统中数字功率的传递，需要改进电缆。电缆的内部含有信息传输载体和功率传输载体，其中，信息传输载体为屏蔽电缆，电缆内部的屏蔽层为地，其内部为传输线。

2.2 控制核心

采用SoC单片机作为节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的控制核心。SoC单片机具有功耗小和体积小的特点，并具有JTAG系统编程和A/D转换功能。节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的实现原理图如图3所示。

以SoC单片机为操作核心的系统具有减少外设和电脑待机损耗的功能。节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的电脑主机接入图3中的插孔1;打印机、显示器等电脑外设通过插孔2、插孔3和插孔4进行连接;供电电路通过插孔5进行连接，作为功率分配系统中普通的备用电源。

2.3 数字负载

节能型无线遥控智能插座的功率分配系统中，电流的功耗和主机的负载由电流监测部分负责。功率分配系统中控制单元主要根据系统的程序对传感器信息进行设定;节能关电动作主要通过继电器的开关完成，切断外设和主机的供电。在智能插座中，每个插口设置具有读取智能负载信息的信息接口，申请?批复的过程由系统的通信接口完成，满足智能插座功率分配功能，传统负载与数字负载的区别是前者少了信息部分，图4为数字功率负载的结构实现图。

在节能型无线遥控智能插座的功率分配系统中，数字负载可采用插座电路板的通信单元和控制单元，还可完成JTAG编程的模拟。

2.4 定向耦合器

定向耦合器是一种具有4个端口的网络元件，具有方向性的功率分配和功率耦合功能及互易、匹配和无耗的特点，可以在较短的时间内完成任意功率分配比的制作，提高节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的效率。定向耦合器中包含副线和主线，主线传输线完成能量的输入，另一条输出线则为副线。通过定向耦合器的耦合因数将信号从主线传送到副线中，从端口1传送的信号根据因数耦合将功率传输到端口3，端口2接收剩余的所有输入功率，端口4没有功率。图5为定向耦合器示意图。

3 功率分配方法

为了降低功率分配方法的复杂度，在功率分配开始前对系统的比特数进行预先分配，每次分配比特数时都在功率分配系统的多个信道子区间中完成。

由香浓定量可知，在节能型无线遥控智能插座的功率分配系统中，第[i]个子信道发送信号功率[pi]和分配比特数[bi]之间满足：

4 实验方法及步骤

本次实验在IAR EWARM V5环境下完成，为了检测节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的性能，需要对其进行测试。分别采用节能型无线遥控智能插座的功率分配系统、基于V9811的智能插座功率分配系统及基于多智能体的智能插座功率分配系统进行能耗测试，对比三种不同方法的测试结果，如图6所示。

图6a）为节能型无线遥控智能插座的功率分配系统和基于V9811的智能插座功率分配系统的测试结果。分析图6a）可知，在相同时间内，节能型无线遥控智能插座的功率分配系统所用的能量低于基于V9811的智能插座功率分配系统所用的能量，证明节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的能耗小于基于V9811的智能插座功率分配系统的能耗。

图6b）为节能型无线遥控智能插座的功率分配系统与基于多智能体的智能插座功率分配系统的测试结果。分析图6b）可知，在相同时间内，节能型无线遥控智能插座的功率分配系统所用的能量要远远少于基于多智能体的智能插座功率分配系统所用的能量，证明节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的能耗小于基于多智能体的智能插座功率分配系统的能耗。验证了节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的能耗较小。

为了验证节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的分配效率，采用基于V9811的智能插座功率分配系統和节能型无线遥控智能插座的功率分配系统进行测试，对比两种不同方法在相同条件下的功率分配效率，测试结果如表1所示。

分析表1可知，采用节能型无线遥控智能插座的功率分配系统在端口1所用的平均时间为0.125 s，在端口2所用的平均时间为0.15 s，在端口3所用的平均时间为0.175 s，在端口4所用的平均时间为0.125 s。采用基于V9811方法的智能插座功率分配系统在端口1所用的平均时间为0.2 s，在端口2所用的平均时间为0.275 s，在端口3所用的平均时间为0.3 s，在端口4所用的平均时间为0.25 s。对比两种方法的测试结果可知，节能型无线遥控智能插座的功率分配系统在端口1、端口2、端口3和端口4所用的时间均少于基于V9811的智能插座功率分配系统所用的时间，验证了节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的功率分配效率较高。

智能插座功率分配系统的稳定性是保证用电设备和用户安全的基础，为了保障用户和用电设备的安全，需要对节能型无线遥控智能插座的功率分配系统进行测试。分别采用节能型无线遥控智能插座的功率分配系统和基于多智能体的智能插座功率分配系统进行测试，图7为两种方法的测试结果。

分析图7可知，节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的稳定性高于基于多智能体的智能插座功率分配系统的稳定性，因为节能型无线遥控智能插座的功率分配系统将接口电路中的信号线设置在内部，以外部为地进行设计，保障了电路中的信号不受强电干扰，提高了节能型无线遥控智能插座的功率分配系统的稳定性。

5 结 语

对智能插座的功率分配系统进行设计，可以对用户电能的使用行为进行有效的限制，既可以在用电高峰期限制大负荷电器行为的使用，又可以满足用户生活的基本用电要求。本文提出的节能型无线遥控智能插座的功率分配系统设计方法，在能耗、功率分配效率和稳定性方面进行了优化设计，使智能插座安全高效地应用到生活中。

参考文献

[1] 李洲，周雯.基于博弈论的中继系统功率分配[J].计算机仿真，2016，33（2）：227?233.

LI Zhou， ZHOU Wen. Power allocation of relay system based on game theory [J]. Computer simulation， 2016， 33（2）： 227?233.

[2] 杨伟斌，张九根，陈奇，等.复合地源热泵系统负荷优化分配研究[J].科技通报，2016，32（1）：93?96.

YANG Weibin， ZHANG Jiugen， CHEN Qi， et al. Research on optimal load distribution of composite GSHP system [J]. Bulletin of science and technology， 2016， 32（1）： 93?96.

[3] 舒畅，余梦佳.基于非合作博弈论的CoMP系统功率分配算法[J].科学技术与工程，2015，15（9）：103?108.

SHU Chang， YU Mengjia. A game theoretical power allocation for downlink CoMP system [J]. Science technology and engineering， 2015， 15（9）： 103?108.

[4] 董天强，陈波，周克，等.一种裕量最大的高速载波比特功率分配算法[J].计算机测量与控制，2017，25（6）：192?194.

DONG Tianqiang， CHEN Bo， ZHOU Ke， et al. A bit and power allocation algorithm based on max margin for high speed carrier [J]. Computer measurement & control， 2017， 25（6）： 192?194.

[5] 杜淳.室内LED可见光语音通信网络的信道分配算法研究[J].现代电子技术，2017，40（11）：18?20.

DU Chun. Research on channel assignment algorithm for visible?light voice communication network of indoor LED [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（11）： 18?20.

[6] ELDURSSI A M， O′CONNELL R M. A Fast nondominated sorting guided genetic algorithm for multi?objective power distribution system reconfiguration problem [J]. IEEE transactions on power systems， 2015， 30（2）： 593?601.

[7] PRASAD P S， RAO B P. Condition monitoring of 11 kV overhead power distribution line insulators using combined wavelet and LBP?HF features [J]. IET generation transmission & distribution， 2017， 11（5）： 1144?1153.

[8] 王仕果，易进，彭海霞.中继协作认知无线电系统的最优化功率分配[J].计算机工程，2015，41（5）：93?96.

WANG Shiguo， YI Jin， PENG Haixia. Optimal power allocation in relay cooperative cognitive radio system [J]. Computer engineering， 2015， 41（5）： 93?96.

[9] STRASSER T， ANDR?N F P， LAUSS G， et al. Towards holistic power distribution system validation and testing： an overview and discussion of different possibilities [J]. Elektrotechnik and informationstechnik， 2017， 134（1）： 71?77.