摘 要： 智能家居是物聯網的一個重要應用領域，而智能計量插座因其可以有效監控用電量，已成為智能家居的重要組成部分。本文采用處理器STM8L152和計量芯片ATT7039AU，實現對用戶插座電壓、電流、功率、用電量等參數的有效監控，并通過自帶的WiFi模塊，實現對插座的遠程智能控制、數據采集、能耗管理等功能，從而達到減少家居用電能耗的目的。
0 引言
隨著物聯網的多方面應用，智能家居得到了快速的發展，并逐步進入人們的生活，改變著人們的生活習慣。隨著低碳經濟、綠色環保等可持續發展觀念的倡導，更多的人開始關注節能、重視家用電器的耗電量，計量插座便因此而生。
目前市場上已經有許多計量類插座，據調查，公認的幾大品牌有力創、北電、泰克曼和優利德等，而市場上這些插座功能都大同小異。但當前的這些智能插座設計以提供保護、監測或控制等單一功能為主，很難實現智能化和遠程控制，不能滿足智能家居系統的要求。
針對此，本文設計的計量插座不僅具有市場上一般智能插座的功能，還具有遠程監控的功能，真正實現了對電量使用的實時監控和管理，符合智能家居的發展方向與要求。
1 系統總體設計概述
1.1 系統總體結構
智能計量插座主要由MCU控制單元、計量模塊、WiFi模塊、繼電器控制[1]、LCD顯示電路等幾個部分組成，具體如圖1所示。
1.2 電路基本工作原理及主要功能介紹
系統經計量模塊采集電量、電壓、功率、電流等相關電量數據，并送MCU處理，MCU將處理后的數據通過WiFi模塊，發送給手機用戶，手機用戶可以實時查看電量、電壓、功率、電流等數據，實現對家庭用電的監控[2]。另一方面，用戶可以通過手機對計量插座實現遠程控制[3]，通過手機向WiFi模塊發送指令，WiFi模塊將控制指令發送給MCU主控芯片，MCU進行處理后，對計量芯片進行配置，實現遠程控制通斷以及定時[4]等功能。
2 系統硬件電路設計
2.1 電源電路
本系統采用電容器降壓的方式，直接將220 V市電通過CBB電容及穩壓二極管轉化為5 V直流電，給繼電器及計量芯片供電。再利用HT7533穩壓管將5 V電壓降為3.3 V給主控芯片及其他模塊供電。具體電路如圖2所示。
2.2 MCU微控制單元電路
MCU微處理器采用STM8L152芯片，STM8L152是8位超低功耗單片機，擁有5個低功耗模式，先進的STM8核心以及32 kHz和1~16 MHz晶體振蕩器，另外它有4個通道，分別是ADC、DAC、SPIS、W2C。還有USART接口，有高達64 KB的快閃記憶體和高達2 KB的數據EEPROM、ECC和RWW以及靈活的讀/寫保護模式。
2.3 計量模塊電路
計量模塊中用到的計量芯片為ATT7039AU，該模塊提供三項電能計量所需要的有功功率、無功功率與無功電能、電壓有效值、電流有效值及頻率參數等，支持軟件校表方式。通過SFR寄存器和中斷的方式，可以對數字信號處理部分進行校表參數配置和計量參數讀取；計量的結果通過FR/QF引腳輸出，也即校表脈沖輸出，可以直接接到標準表進行誤差對比。計量模塊具體電路如圖3所示。
2.4 繼電器控制電路
系統采用繼電器來通斷電控制用電器[5]。繼電器是一種常用的控制設備。繼電器設計如圖4所示。
在正常情況下，ATT3079處理器的I/O口為低電平，NPN三極管處于截止狀態，此時繼電器線圈內并無電流，所以繼電器L-IN與L-OUT之間處于常閉狀態，用電器處于正常工作狀態；當需要斷開用電器時，I/O口置高電平，NPN三極管導通，此時繼電器線圈內有電流流過，使繼電器L-IN與L-OUT之間處于常開狀態，切斷用電器供電。
3 系統軟件設計
本系統采用C語言編寫，程序編寫使用模塊化和層次化的設計方法，使程序更加可靠，方便開發人員的調試和維護。程序功能模塊包括程序初始化模塊、計量芯片主控模塊、計量參數校正、LCD顯示模塊、按鍵處理模塊、計量參數讀取處理模塊、定時模塊和繼電器控制模塊。采用模塊化編程使得程序更加簡潔，將每個模塊都放在一個.C文件里面，只需要在主函數中調用就可以使用此模塊的功能。系統主程序如圖5所示。
系統程序中還用到定時器中斷服務程序，每100 ms采集、處理一次計量芯片所得到的數據。其余時間用在按鍵掃描、繼電器控制和收發ZigBee模塊數據上面。這樣就能夠給每個模塊都分配一定的時間，不會出現互相干擾的現象。
同時利用終端服務器監控計量插座客戶端和Andriod手機客戶端，當計量插座要通過WiFi發送數據給Andriod手機時，服務器接收到信號，并建立WiFi連接處理請求，回應數據完成后結束連接繼續監聽；當Andriod手機客戶端向計量插座發送數據請求時，同樣先建立連接后處理請求，結束后繼續監聽。具體通信程序設計如圖6所示。
4 系統測試與分析
4.1 計量芯片有效值寄存器校正
電壓通道推薦輸入為200 mV有效值。首先，對EMU特殊功能寄存器進行配置（如：SUPD內部模塊使能控制寄存器等）。并且對ADC控制寄存器進行配置，對電壓ADC獨立配置放大信號1倍，電流ADC獨立配置放大信號16倍。寄存器配置完后接上電源，電參數的數據都將存入計量參數寄存器中，但是直接讀出來的數據是不對的。需要對校表參數寄存器進行配置，對計量參數寄存器進行校正。
4.2 電能參數的折算
電能計量模塊采用定時讀取電能參數的方式，定時更新電能參數，并且監控計量芯片工作是否正常，確保計量參數的準確。有效值寄存器校正后需要進行折算才能得到正確的電能值。
4.3 實際測試與誤差分析
通過實際測試的方法檢測樣表的準確度，需要給插座一個穩定的源（如：電壓源、電流源），以下為主要參數的測試數據。
（1）電壓測試數據
電壓測試數據如表1所示。
圖7為電壓數據線性擬合圖。從圖中可以看出電壓的誤差是隨著電壓的增大而減小的，通過Excel線性擬合處理出的線性公式，直接加到程序中進行誤差更正。
（2）電流測試數據
電流測試數據如表2所示。
圖8為電流數據線性擬合圖。從圖中可以看出計量插座的電流值偏小于電流源的穩定值，故用Excel進行線性擬合，將得出的公式加入到程序當中進行處理就可以得出較為準確的值。
5 結束語
本文將電量計量、Android應用、WiFi無線網絡等技術應用到智能計量插座設計中，實現集電力測量、電量管理和遠程控制于一體的智能插座。測試結果證明，所有功能基本能夠實現，測量精準，可靠性高，功耗低。
參考文獻
[1] 周彬.一種基于單片機系統控制的多功能插座[J].電子世界，2011（11）：23-24.
[2] 姚文軒，滕召勝.多功能智能插座設計[J].企業技術開發，2010（6）：28-30.
[3] 溫鐵鈍，孫鍵國，張天宏.無線遙控智能插座的設計[J].測控技術，2003，22（10）：53-55.
[4] 徐偉，姜元建，王斌.智能插座在智能家居系統中的設計和應用[J].中國儀器儀表，2010（10）：45-47.
[5] 馬紅麟.新型遙控插座的設計與研究[J].機電工程，2003（5）：51-52.