具有用电器分析监测功能的智能供电装置*

蔡昕晨 李纪娴 冯万晗 胡安正

(湖北文理学院物理与电子工程学院 湖北 襄阳 441053)

近年来，随着物联网技术的不断发展，智能家居的发展也迈向了智能用电的新阶段.智能供电打破了传统用电方式，利用电流、电压互感和无线传输的物理原理实现了对用电器和分布式能源的信息交换和精准控制.

基于此，本文研制了一款带有用电器识别、检测和监测功能的智能供电装置，实现了对用电设备的精准供电和无线终端的监控与管理.

1 系统总体设计

该装置主要分为两大板块：智能供电和无线终端.智能供电板块包括电压电流互感器、ADE7763电能计量芯片、继电器模块和ZigBee模块，采用STM32F334C8T6微控制器作为中央控制器.无线终端板块采用STM32F407ZGT6微处理器，其与外围ZigBee模块和触摸液晶屏模块相连，智能供电装置系统框图如图1所示.

图1 智能供电装置系统框图

2 系统硬件设计

本装置的硬件设计主要包括采样模块、电能计量模块、电源模块、通信模块等.

2.1 电压电流采样模块

电压电流采样利用电压、电流互感和无线传输的物理原理，由电压互感器和电流互感器组成，其电路图如图2所示.图中T1为电压互感器，将市电按比例关系变换为低等级的二次电压信号给ADE7763；T2为电流互感器,依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流信号给ADE7763.

图2 采样电路

2.2 电能计量模块

电能计量采用高精度的电能计量芯片ADE7763，图3为ADE763的外围硬件连接图.采样的电压电流信号通过差分输入的方式接入V1P/V1N，V2N/V2P引脚.REF为基准电压的输入、输出引脚，在片内集成了2.42 V+8%的内部参考电压，使用C11和C3为内部参考电源去耦.CLKOUT和CLKIN之间接大小为3.579 545 MHz晶振，为ADE7763提供时钟源.DIN，DOUT，SCLK，CE 4个引脚分别与微处理器的PA4,PA5,PA6,PA7相连完成Serial Peripheral Interface(SPI)通信.

图3 电能计量电路

3 系统软件设计

系统利用ADE7763采集用电器的电压、电流、有功功率、视在功率、功率因数等信息，通过SPI接口与微控制器通信.微控制器对采集的信息进行分析，识别各类型的家用设备，再将识别结果和用电信息通过ZigBee传输给终端设备.此部分主要介绍ADE7763的程序设计及用电器识别程序设计.

3.1 ADE7763的程序设计

ADE7763进行写操作，在时钟的下降沿时把数据移入寄存器.数据进入串行口，在一个有限的时间间隔内把数据从缓冲器移入片内寄存器中.

ADE7763进行读操作，在下个时钟信号的上升沿开始传输数据.这时DOUT端退出高阻抗状态，转换为通过驱动数据总线来传输数据.

3.2 用电器识别程序设计

1.for (i = 1; i < (1 << 7); ++i) {

2.for (j = 0; j < 7; ++j) {

3.if (i & (1 << j)) {

4. Power += WATT[j];

5. }

6. }

7.}

其中Power为用电器排列组合的有功功率;WATT[j]为第j个设备的有功功率.

4 结论

本研究利用电压、电流互感的物理原理和ADE7763电能计量芯片设计了一款带有用电器分析、识别和监测功能的智能供电装置，使用电器可识别、可检测、可控制，为智能家居的改造、升级、安全用电和提升人们的生活质量以及节能环保提供了一种解决方案.