摘 要： 智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，而智能計量插座因其可以有效監(jiān)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(xiàn)對用戶插座電壓,、電流、功率,、用電量等參數(shù)的有效監(jiān)控，并通過自帶的WiFi模塊,，實現(xiàn)對插座的遠程智能控制、數(shù)據(jù)采集,、能耗管理等功能,，從而達到減少家居用電能耗的目的。
關(guān)鍵詞： 電量計量,；Android應(yīng)用,；WiFi,；節(jié)能監(jiān)控
0 引言
隨著物聯(lián)網(wǎng)的多方面應(yīng)用,，智能家居得到了快速的發(fā)展,，并逐步進入人們的生活,，改變著人們的生活習(xí)慣,。隨著低碳經(jīng)濟,、綠色環(huán)保等可持續(xù)發(fā)展觀念的倡導(dǎo),，更多的人開始關(guān)注節(jié)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(jīng)有許多計量類插座，據(jù)調(diào)查,，公認(rèn)的幾大品牌有力創(chuàng),、北電,、泰克曼和優(yōu)利德等,，而市場上這些插座功能都大同小異,。但當(dāng)前的這些智能插座設(shè)計以提供保護、監(jiān)測或控制等單一功能為主,，很難實現(xiàn)智能化和遠程控制,，不能滿足智能家居系統(tǒng)的要求。
針對此,，本文設(shè)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(jiān)控的功能,，真正實現(xiàn)了對電量使用的實時監(jiān)控和管理，符合智能家居的發(fā)展方向與要求,。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計概述
1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
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(tǒng)經(jīng)計量模塊采集電量,、電壓,、功率,、電流等相關(guān)電量數(shù)據(jù),，并送MCU處理，MCU將處理后的數(shù)據(jù)通過WiFi模塊,，發(fā)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)對家庭用電的監(jiān)控[2],。另一方面,，用戶可以通過手機對計量插座實現(xiàn)遠程控制[3],，通過手機向WiFi模塊發(fā)送指令，WiFi模塊將控制指令發(fā)送給MCU主控芯片,，MCU進行處理后,，對計量芯片進行配置,，實現(xiàn)遠程控制通斷以及定時[4]等功能,。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
2.1 電源電路
本系統(tǒng)采用電容器降壓的方式,，直接將220 V市電通過CBB電容及穩(wěn)壓二極管轉(zhuǎn)化為5 V直流電,，給繼電器及計量芯片供電,。再利用HT7533穩(wěn)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)字信號處理部分進行校表參數(shù)配置和計量參數(shù)讀?。挥嬃康慕Y(jié)果通過FR/QF引腳輸出,，也即校表脈沖輸出,，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)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(shè)備,。繼電器設(shè)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?fàn)顟B(tài),，此時繼電器線圈內(nèi)并無電流,，所以繼電器L-IN與L-OUT之間處于常閉狀態(tài)，用電器處于正常工作狀態(tài),；當(dāng)需要斷開用電器時,，I/O口置高電平，NPN三極管導(dǎo)通,，此時繼電器線圈內(nèi)有電流流過,，使繼電器L-IN與L-OUT之間處于常開狀態(tài)，切斷用電器供電,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)采用C語言編寫,，程序編寫使用模塊化和層次化的設(shè)計方法，使程序更加可靠,，方便開發(fā)人員的調(diào)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(shù)校正,、LCD顯示模塊、按鍵處理模塊,、計量參數(shù)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(shù)中調(diào)用就可以使用此模塊的功能。系統(tǒng)主程序如圖5所示,。
系統(tǒng)程序中還用到定時器中斷服務(wù)程序,，每100 ms采集、處理一次計量芯片所得到的數(shù)據(jù),。其余時間用在按鍵掃描,、繼電器控制和收發(fā)ZigBee模塊數(shù)據(jù)上面。這樣就能夠給每個模塊都分配一定的時間,，不會出現(xiàn)互相干擾的現(xiàn)象,。
同時利用終端服務(wù)器監(jiān)控計量插座客戶端和Andriod手機客戶端，當(dāng)計量插座要通過WiFi發(fā)送數(shù)據(jù)給Andriod手機時,，服務(wù)器接收到信號,，并建立WiFi連接處理請求,，回應(yīng)數(shù)據(jù)完成后結(jié)束連接繼續(xù)監(jiān)聽,；當(dāng)Andriod手機客戶端向計量插座發(fā)送數(shù)據(jù)請求時,，同樣先建立連接后處理請求，結(jié)束后繼續(xù)監(jiān)聽,。具體通信程序設(shè)計如圖6所示,。
4 系統(tǒng)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(nèi)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(shù)的數(shù)據(jù)都將存入計量參數(shù)寄存器中,，但是直接讀出來的數(shù)據(jù)是不對的,。需要對校表參數(shù)寄存器進行配置,，對計量參數(shù)寄存器進行校正。
4.2 電能參數(shù)的折算
電能計量模塊采用定時讀取電能參數(shù)的方式,，定時更新電能參數(shù)，并且監(jiān)控計量芯片工作是否正常,，確保計量參數(shù)的準(zhǔn)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(zhǔn)確度,，需要給插座一個穩(wěn)定的源（如：電壓源,、電流源）,，以下為主要參數(shù)的測試數(shù)據(jù),。
?。?）電壓測試數(shù)據(jù)
電壓測試數(shù)據(jù)如表1所示,。
圖7為電壓數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)
電流測試數(shù)據(jù)如表2所示,。
圖8為電流數(shù)據(jù)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(wěn)定值,，故用Excel進行線性擬合,，將得出的公式加入到程序當(dāng)中進行處理就可以得出較為準(zhǔn)確的值。
5 結(jié)束語
本文將電量計量,、Android應(yīng)用,、WiFi無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)應(yīng)用到智能計量插座設(shè)計中，實現(xiàn)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(jié)果證明，所有功能基本能夠?qū)崿F(xiàn),，測量精準(zhǔn),，可靠性高，功耗低,。
參考文獻
[1] 周彬.一種基于單片機系統(tǒng)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(shè)計[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),，2010（6）：28-30.
[3] 溫鐵鈍,，孫鍵國，張?zhí)旌?無線遙控智能插座的設(shè)計[J].測控技術(shù),，2003,，22（10）：53-55.
[4] 徐偉，姜元建,，王斌.智能插座在智能家居系統(tǒng)中的設(shè)計和應(yīng)用[J].中國儀器儀表,，2010（10）：45-47.
[5] 馬紅麟.新型遙控插座的設(shè)計與研究[J].機電工程，2003（5）：51-52.