摘  要： 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于ZigBee的家電能耗細(xì)粒度計(jì)量和控制的無(wú)線(xiàn)智能插座。該設(shè)備能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家用電器的耗電量，多個(gè)設(shè)備可以組建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，并能通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)將所有電器的耗電數(shù)據(jù)收集到服務(wù)器中，進(jìn)行智能決策，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制繼電器開(kāi)斷電源，從而節(jié)約電能。
關(guān)鍵詞： ZigBee；電量監(jiān)控；智能家居；智能插座；嵌入式系統(tǒng)

　目前，全球都處于能源緊缺的狀態(tài)，節(jié)約能源對(duì)于中國(guó)的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。要想節(jié)約能源，就必須合理地利用有限的能源，這就要求將浪費(fèi)減到最小，需要對(duì)電器進(jìn)行細(xì)粒度電量監(jiān)測(cè)[1]。但是現(xiàn)有的計(jì)量設(shè)備[2-3]都是用來(lái)計(jì)量用戶(hù)總的用電量信息，而不能計(jì)量特定用電器特定時(shí)間段內(nèi)的耗電量。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于ZigBee的家電能耗細(xì)粒度計(jì)量和控制的無(wú)線(xiàn)智能插座，其可以達(dá)到對(duì)電器耗電量的細(xì)粒度計(jì)量，并能通過(guò)繼電器有效控制電器的供電回路通斷。該設(shè)備分別利用電流互感器和電壓互感器采集流入電器的電流和兩端的電壓，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的功率值，然后交給微處理器處理和無(wú)線(xiàn)發(fā)送。同時(shí)，微處理器還可以通過(guò)繼電器控制電器回路的通斷。
1 系統(tǒng)架構(gòu)及測(cè)量原理
　基于ZigBee技術(shù)的細(xì)粒度電量監(jiān)控?zé)o線(xiàn)智能插座主要由電量采集單元、無(wú)線(xiàn)微控制器、智能開(kāi)關(guān)控制單元和供電單元組成，系統(tǒng)構(gòu)成方框圖如圖1所示。

　電量采集單元負(fù)責(zé)采集用電設(shè)備的能耗信息。采用專(zhuān)用的功率測(cè)量芯片，使監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息綜合誤差得到修正，精度高且硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，也省去了軟件上計(jì)算的復(fù)雜性。
采用集微處理器和RF收發(fā)芯片于一體的SoC芯片代替數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)通信模塊，既負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議等，又負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)或Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信、收發(fā)數(shù)據(jù)，并使得節(jié)點(diǎn)本身的體積縮小，功耗降低，成本縮減。
　智能開(kāi)關(guān)控制單元負(fù)責(zé)控制用電設(shè)備開(kāi)關(guān)的通斷，命令由無(wú)線(xiàn)微控制器發(fā)出，動(dòng)作的實(shí)施由控制單元執(zhí)行。采用繼電器來(lái)完成通斷電控制的功能。
供電單元負(fù)責(zé)為其他單元提供工作電壓。采用外接AC-DC開(kāi)關(guān)電源以減小節(jié)點(diǎn)體積，然后利用穩(wěn)壓芯片得到各模塊芯片所需的工作電壓。
　電壓、電流信號(hào)分別通過(guò)電壓互感器和電流互感器采樣，并通過(guò)流/壓變換電路轉(zhuǎn)換為電能表芯片接收的信號(hào)輸入到電能表芯片的模擬信號(hào)輸入端，電能表芯片據(jù)此由內(nèi)部的電能計(jì)算函數(shù)計(jì)算出電能、有功功率、無(wú)功功率及功率因數(shù)等各種電參數(shù)，并按類(lèi)型存入相應(yīng)寄存器中。無(wú)線(xiàn)微控制模塊通過(guò)雙向串行接口與電能表芯片相連，讀取測(cè)量的各種電參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過(guò)內(nèi)部的無(wú)線(xiàn)通信電路將計(jì)量結(jié)果向控制中心傳輸。
2 電量采集單元
　數(shù)據(jù)采集單元是智能電量采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重要部分，也是保證該節(jié)點(diǎn)的電量測(cè)量精度的重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集單元主要由電壓采樣電路、電流采樣電路、電子式電表專(zhuān)用芯片CS5463[4]等構(gòu)成，硬件框圖如圖2所示。
電壓、電流信號(hào)分別通過(guò)電壓互感器和電流互感器采樣并通過(guò)流/壓變換電路轉(zhuǎn)換為電能表芯片CS5463接收范圍內(nèi)的信號(hào)并輸入至CS5463的模擬信號(hào)輸入端。CS5463電壓和電流輸入通道皆采用差分輸入，電壓通道輸入范圍為150 mV，電流通道根據(jù)增益設(shè)定的不同（為10或50），相應(yīng)的輸入電壓范圍為150 mV或30 mV。CS5463據(jù)此由內(nèi)部的電能計(jì)算函數(shù)計(jì)算出電能、有功功率、無(wú)功功率及功率因數(shù)等各種電參數(shù)，并按類(lèi)型存入相應(yīng)寄存器中。

2.1 電壓采樣電路
　電壓采樣電路由電壓互感器、電阻網(wǎng)絡(luò)和去抖電容組成。電壓互感器采用維博WB系列PT43B002交流電壓采樣器[5]，為變比1：1的電流型電壓互感器。采用特制隔離模塊，將被測(cè)交流電壓隔離轉(zhuǎn)換成同頻同相的小交流電流信號(hào)。將220 V的N線(xiàn)與L線(xiàn)按照電壓互感器產(chǎn)品標(biāo)簽上的標(biāo)注分別與V+與V-連接，以保證輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相。該互感器是通過(guò)從輸入回路中索取1 mA電流來(lái)達(dá)到測(cè)量目的的,工作時(shí)須使用外部定標(biāo)電阻，阻值按1 000 Ω/V選取，改變阻值可以達(dá)到測(cè)量不同電壓的目的。輸出端為跟蹤電流源輸出,滿(mǎn)度標(biāo)稱(chēng)輸出為1 mA，使用時(shí)需要在次級(jí)跨接采樣電阻。根據(jù)后面連接的電能表芯片CS5463要求的150 mV的電壓范圍，將電阻阻值定為150 Ω。電壓采樣電路原理圖如圖3所示。

2.2 電流采樣電路
　電流采樣電路由電流互感器、電阻網(wǎng)絡(luò)和去抖電容組成。電流互感器采用維博WB系列CT43B402[6]交流電流采樣器，為變比2 000：1的電流互感器。采用特制隔離模塊，將被測(cè)交流電流轉(zhuǎn)換成同頻同相的小交流電流信號(hào)。將220 V的N線(xiàn)按照電流互感器產(chǎn)品標(biāo)簽上的輸入信號(hào)方向穿過(guò)互感器，以保證輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同相。輸出為電流源輸出，使用時(shí)應(yīng)在輸出回路中串入采樣電阻。由于最大測(cè)量的交流電流為10 A，根據(jù)變比可算得輸出電流為5 mA，由于后面連接的電能表芯片CS5463要求的電壓范圍為150 mV，將電阻阻值定為30 Ω。電流采樣電路原理圖如圖4所示。

2.3 電子式電能表芯片CS5463
　CS5463由兩個(gè)可編程的增益放大器、兩個(gè)Δ-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、高速濾波器、功率計(jì)算引擎、串行接口、偏置和增益校準(zhǔn)、功率監(jiān)測(cè)、電源監(jiān)視器及相應(yīng)的功能寄存器等組成。模擬的電流/電壓輸入通道輸入的是差分電壓信號(hào)，滿(mǎn)量程輸入為±250 mV。兩個(gè)可編程放大器采集電流和電壓數(shù)據(jù)，放大后由?駐-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬量進(jìn)行采樣、處理，采樣的結(jié)果通過(guò)數(shù)字低通或可選的高通濾波器（HPF）濾取符合要求的電流電壓數(shù)字信號(hào)。電流和電壓通道都提供了一個(gè)可選的高通濾波器，它可以除去電流和電壓信號(hào)里的全部直流成分，減少有效值、有功功率、電能等計(jì)算中由電流或電壓信號(hào)的偏移帶來(lái)的不精確性。功率計(jì)算引擎計(jì)算各類(lèi)電參數(shù)，如電流有效值、電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率等，將計(jì)算的結(jié)果值存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器中，并通過(guò)串行接口（SPI）輸出。CS5463內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

3 數(shù)據(jù)傳輸單元
　數(shù)據(jù)傳輸單元采用Jennic公司的JN5139[7]模塊實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)時(shí)，將JN5139模塊的所有引腳都引出以便系統(tǒng)的擴(kuò)展。
　JN5139模塊是基于Jennic第二代無(wú)線(xiàn)微控制器的低功率無(wú)線(xiàn)通信模塊，它能使客戶(hù)在最短的時(shí)間內(nèi)以最低的成本實(shí)現(xiàn)IEEE 802.15.4或ZigBee的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)。該模塊減少了用戶(hù)對(duì)于RF射頻設(shè)計(jì)和測(cè)試工裝的昂而貴漫長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)。該模塊利用Jennic公司的JN5139無(wú)線(xiàn)微控制器來(lái)提供完整的射頻和RF器件的解決方案，提供了開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)所需要的豐富的外圍器件。
4 智能開(kāi)關(guān)控制單元
　本著節(jié)能的目的，根據(jù)采集到的各種電器的能耗數(shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)到用戶(hù)的用電習(xí)慣，比如用戶(hù)在哪個(gè)時(shí)間段用什么電器。根據(jù)用戶(hù)的用電習(xí)慣，為電器定時(shí)，或者由用戶(hù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制對(duì)電器的開(kāi)關(guān)通斷。
　通斷電控制電路應(yīng)用繼電器完成。繼電器是常用的一種控制設(shè)備，繼電器的高低壓隔離及開(kāi)關(guān)特性在很多的控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。電路設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

　電路的工作原理是，在正常情況下，處理器的I/O口為低電平，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器線(xiàn)圈內(nèi)無(wú)電流，所以繼電器處于常閉狀態(tài)，用電器處于供電狀態(tài)；當(dāng)需要斷電時(shí)，I/O口置高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器線(xiàn)圈內(nèi)有電流流過(guò)，使繼電器處于常開(kāi)狀態(tài)，切斷供電。
　圖6中的二極管是專(zhuān)門(mén)為保護(hù)驅(qū)動(dòng)器而設(shè)置的。在驅(qū)動(dòng)器的輸出由“1”變“0”、繼電器的線(xiàn)圈從有電流變到無(wú)電流過(guò)程中，由于它的線(xiàn)包是感性負(fù)載，因此會(huì)產(chǎn)生很高的感性電勢(shì)，此時(shí)二極管提供的泄洪回路可保護(hù)驅(qū)動(dòng)器不被反電勢(shì)擊穿。
5 電源管理單元
　嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中最重要并且最嚴(yán)重的干擾來(lái)源于電源的污染。通常，嵌入式系統(tǒng)使用的電源一般都是由市電電網(wǎng)的交流電經(jīng)變換后得到的。隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，市電電網(wǎng)電源污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。同時(shí)，各種干擾也極易耦合到供電線(xiàn)路中，這種電源干擾將會(huì)通過(guò)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的電源線(xiàn)路引入到系統(tǒng)中。因此，設(shè)計(jì)可靠的、抗干擾性能良好的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)供電電路對(duì)提高系統(tǒng)抗干擾性能來(lái)說(shuō)是非常重要的。
本設(shè)備上器件的工作電壓共有12 V、5 V和3.3 V三種。供電單元需要提供這三種電壓以使所有器件正常工作。電源設(shè)計(jì)原理圖如圖7所示。

6 功能驗(yàn)證
　電量監(jiān)控模塊典型的應(yīng)用形式是一個(gè)集本文設(shè)計(jì)的模塊、AC-DC轉(zhuǎn)換器和普通插座為一體的智能插座。AC-DC轉(zhuǎn)換器將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，用以為電量監(jiān)控模塊供電。插座的干路穿過(guò)電流互感器以采集原始電流數(shù)據(jù)，而電壓互感器則并聯(lián)在火線(xiàn)和零線(xiàn)之間以采集原始電壓數(shù)據(jù)。
本電量監(jiān)控模塊可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)來(lái)組成更大的監(jiān)控系統(tǒng)。以下對(duì)系統(tǒng)的功能驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)采用的就是這種體系結(jié)構(gòu)。
　為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能，選取了普通筆記本電腦進(jìn)行測(cè)量[1]，統(tǒng)計(jì)能耗情況。
　實(shí)驗(yàn)一：測(cè)量IBM T43 2668筆記本分別在正常工作、運(yùn)行游戲、運(yùn)行視頻、運(yùn)行Windows update程序、待機(jī)和休眠6種情況下的功率情況。
　本實(shí)驗(yàn)利用電量采集智能插座，其內(nèi)部的電量采集模塊采集電量信息的頻率設(shè)置為1次/s，采集到的信息上傳服務(wù)器的頻率設(shè)置為1次/min，因此，測(cè)得的每個(gè)數(shù)據(jù)是1 min內(nèi)得到的60個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。這里，對(duì)每一種狀態(tài)的測(cè)試持續(xù)10 min，分別得到10個(gè)數(shù)據(jù)。此外，由于Window update程序運(yùn)行的時(shí)間無(wú)法自由控制，因此，這里采用多次累計(jì)測(cè)得10 min的數(shù)據(jù)。表1列出了測(cè)試結(jié)果。
　從表1可以看出，不同的工作狀態(tài)下IBM T43 2668在單位時(shí)間消耗的能量是不同的。運(yùn)行游戲程序和播放視頻的時(shí)候耗能相對(duì)較多，這是因?yàn)檫@兩類(lèi)任務(wù)都需要顯卡來(lái)處理大量的數(shù)據(jù)，而且，視頻的編解碼也會(huì)占用大量的CPU時(shí)間，耗能較多。正常工作指的是在啟動(dòng)計(jì)算機(jī)以后，不進(jìn)行任何操作。前3 min耗電比較多是因?yàn)橄到y(tǒng)剛開(kāi)始啟動(dòng)，某些系統(tǒng)服務(wù)和啟動(dòng)項(xiàng)需要啟動(dòng)，之后耗電逐步穩(wěn)定。待機(jī)狀態(tài)耗電明顯降低，而休眠狀態(tài)測(cè)得的值為0，與理論值一致。

　實(shí)驗(yàn)二：用戶(hù)行為分析。
　為了說(shuō)明系統(tǒng)基于測(cè)量的用戶(hù)用電行為分析，對(duì)1臺(tái)學(xué)生科研用的IBM T43 2668筆記本電腦日常耗電情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，檢測(cè)時(shí)間為60 min，要求學(xué)生在60 min內(nèi)每個(gè)時(shí)刻只可以讓電腦處于實(shí)驗(yàn)一提到的6種狀態(tài)之一。
　采集數(shù)據(jù)的頻率和獲得數(shù)據(jù)的頻率與實(shí)驗(yàn)一相同。60 min內(nèi)獲得了60個(gè)數(shù)據(jù)，如圖8所示。

　圖8中，1處為第一個(gè)峰值，而1和2處的平均值是8.95 Wh，與實(shí)驗(yàn)一中的數(shù)據(jù)對(duì)照，發(fā)現(xiàn)符合正常運(yùn)行時(shí)的情況，因此，推斷此處為運(yùn)行其他程序的情形。3處是第二個(gè)峰值，此處耗電相對(duì)較穩(wěn)定，經(jīng)計(jì)算均值為15.56 Wh，與實(shí)驗(yàn)一中的數(shù)據(jù)對(duì)照，發(fā)現(xiàn)此處和運(yùn)行游戲的情形吻合，因此推斷此時(shí)在運(yùn)行游戲程序。大約20 min的時(shí)候，耗電急劇下降，到達(dá)了低谷4處，經(jīng)計(jì)算，此處的耗電均值為6.47 Wh，對(duì)照實(shí)驗(yàn)一的數(shù)據(jù)，推斷此時(shí)是待機(jī)狀態(tài)。再觀察5處，又有個(gè)小的峰值，并且看似與2處持平，推斷此時(shí)電腦從待機(jī)狀態(tài)恢復(fù)了正常運(yùn)行狀態(tài)。6處達(dá)到了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的最高處，而實(shí)驗(yàn)允許操作者進(jìn)行的最耗能的操作是觀看視頻，所以推斷此時(shí)是視頻播放狀態(tài)。同樣，可推斷7處是操作者進(jìn)行了系統(tǒng)更新操作，而8處的耗電量為0，可以斷言是休眠導(dǎo)致的。最后，將這些推斷與操作者實(shí)際進(jìn)行的操作進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)完全吻合。由此，成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的用戶(hù)行為分析。
　通過(guò)以上的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以對(duì)系統(tǒng)做出簡(jiǎn)單的功能性驗(yàn)證。從實(shí)驗(yàn)一可以看出該系統(tǒng)可以對(duì)用電器的用電進(jìn)行細(xì)粒度的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)二說(shuō)明這些檢測(cè)到的細(xì)粒度耗電信息可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)用作行為分析，從而做出相應(yīng)的決策。本系統(tǒng)可以通過(guò)控制繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電器回路通斷的控制，這就是一種典型的決策實(shí)現(xiàn)方式。
　本系統(tǒng)采用了高精度的電子式電能表專(zhuān)用芯片，配合低功耗無(wú)線(xiàn)微控制模塊實(shí)施電能監(jiān)測(cè)，同時(shí)還可以動(dòng)態(tài)控制電器的通斷。另外，由于此設(shè)備裝有ZigBee模塊，因此，可以用來(lái)和其他帶有ZigBee模塊的設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)，從而使電量數(shù)據(jù)具有更廣泛的應(yīng)用。
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