专利名称：基于Zigbee技术的细粒度电量监控无线智能插座的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动计量电量以及控制用电器交流回路开闭的装置，尤其涉及一种基 于无线传感器网络的智能式电量监控设备，基于Zigbee技术的细粒度电量监控无线智能 插座。
背景技术：
目前，全球都处于能源紧缺的状态，节约能源对于中国的可持续发展具有非常重 要的意义。要想节约能源，就必须合理地利用有限的能源。这就要求做到将无故的浪费减 少到最小，需要对用电器进行用电量监测，但是现有的计量设备都是用来计量用户的总的 用电量信息，对每一台电器详细的耗电情况无从获取。研究表明，实时细粒度电器耗能反馈 将能改变用户行为，使用电量降低10%到20%。另外，除了测量也需要对电器进行控制，如 电视关闭后，与之相连的机顶盒、音响等也要自动关闭以节能；电脑长时间不使用要关闭， 并且关闭与之相连的打印机等附件。可见，为了有效节能，急需一种能提供家电详细耗电情 况的统计和控制手段。也只有获知每一台电器的详细能耗才能够做到合理的节能，否则会 给生活带来不便。现有的发明“智能插座” [1]也可实现控制插在插座上用电器回路的通断，但它是 通过定时器实现的，通断只由单纯的时间指标来决定。[2]具有与电量监测和无线传输功 能，但不具备对用电器回路通断进行控制的功能。[3]具有通过表盘显示通过插座接入的用 电器所用的电量，但不具备无线通信功能和通断控制功能。[4]利用单片机技术和无线通 信技术来实现对用电器的工作情况进行监控。[5]通过控制用电设备电源的通断来达到节 能，但其只能定时控制，没有达到程序控制或者是外部自定义事件控制。

发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种安全、准确、便捷的电量监控智能无线传 感器，可以实现无线自动抄表、监测一个用电设备的电量、自动控制用电设备通断等应用。 为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，一种基于Zigbee技术的细粒度电量监控无线 智能插座，接在220伏供电系统中，由监测部分、无线微控制模块、电源模块以及继电器控 制模块构成，监测部分由电流互感器、电压互感器、流/压变换电路、电子式电能表专用芯 片组成；无线微控制模块由无线微控制器、RS232通信芯片组成；电源模块由电源转换芯片 组成，而控制部分则是由电磁继电器实现；电压采样和电流采样结果通过流/压变换电路 转换为电子式电能表专用芯片接受的信号并输入至电子式电能表专用芯片的模拟信号输 入端，电子式电能表专用芯片据此由内部的电能计算函数计算出电能以及包括有功功率、 无功功率、功率因数的各种电参数，并按类型存入相应寄存器中；无线微控制模块通过双向 串行接口与电子式电能表专用芯片相连，读取测量的各种电参数数据，并通过内部的无线 通信电路将计量结果向控制中心传输。所述的电流互感器是交流电流采样器，采用特制隔离模块，将被测交流电流转换成同频同相的小交流电流信号，将220V的N线按照电流互感器产品标签上的输入信号方向 穿过互感器，以保证输出信号与被测信号同相。所述的电压互感器是交流电压采样器，采用特制隔离模块，将被测交流电压隔离 转换成同频同相的小交流电流信号，将220V的N线与L线按照电压互感器产品标签上的标 注分别与V+与V-连接，以保证输出信号与输入信号同相。所述的流/压变换电路是将电流互感器、电压互感器所测得的电流、电压信号转 换为电子式电能表芯片模拟输入端要求范围内的小电流、电压信号。所述的电子式电能表专用芯片是一种可以监测电流、电压、功率、电量等电参数的 专用芯片。所述的无线微控制器是一种低功耗Zigbee无线通信微处理模块。实现Zigbee通 信协议，可与其他Zigbee设备组网进行数据传输。本发明与现有技术相比的有益效果在于，采用了高精度的电子式电能表专用芯 片，配合低功耗无线微控制模块实施电能监测，既可以安装在用户电计量装置进户线的首 端，监测用户所有用电设备总的用电量，克服了用电设备人工抄表的不方便，也可以连接单 个用电设备，监测该设备的细粒度能耗，同时还可以动态控制用电器的通断。另外，由于此 设备装有无线微控制器模块(Zigbee模块)，因此，可以用来和其它带有Zigbee模块的设备 组成网络，从而使电量数据具有更广泛的应用。简单适用，结构简洁，低功耗，低成本。该设 备可以用于住宅、大型商城、超市、楼宇以及工厂企业的用电耗能监控，还可以为未来实时 电价提供辅助工具


图1是本发明工作原理框图；图2是本发明所用电压互感器电路连接图；图3是本发明所用电流互感器电路连接图；图4是电能表芯片CSM63与无线微控制模块JN5139模块的接口连接图；图5是无线微控制模块JN5139模块与RS232通信芯片的连接图；图6是本发明电源模块电路图。图7是继电器模块外围电路图。
具体实施例方式本发明设计实现了一个基于Zigbee的家电能耗细粒度计量和控制的无线智能插 座，该设备实时监测家用电器的耗电量，多个设备可以组建无线传感器网络平台，并能通过 该网络将所有电器的耗电数据收集到服务器中，供用户查看。同时，基于该平台，可对长期 收集的数据进行分析，挖掘用户用电行为模式，进而对用户电器进行智能控制。本发明的控 制命令可以固定设置在设备中，也可以通过服务器由用户灵活设定。本发明还可以应用于抄表。传统的抄表需要抄表人员定期挨家挨户抄取数据，结 算出费用后，再到各家收取，这样的抄表方式误差大、工作量大，既不方便又不安全。将计算 机技术、网络技术和微电子技术的最新研究成果应用于抄表系统，不需要人员到达现场就 能完成数据自动采集、帐务结算，节省了时间、人力、物力，提高了工作效率。实时的用户使用数据，有利于管理部门实现能源的监控管理提高使用效益，是将来实现能源配送自动化 的基础，并有助于提高管理部门管理现代化水平。下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。一种电能监测智能无线传感器，接在220伏供电系统中，由监测部分、无线微控制 模块、电源模块以及继电器控制模块构成。其特征在于，监测部分由电流互感器、电压互感 器、流/压变换电路、电子式电能表专用芯片组成。无线微控制模块由无线微控制器、RS232 通信芯片组成。电源模块由电源转换芯片组成，而控制部分则是由电磁继电器实现。所述的电流互感器是一种交流电流采样器，采用特制隔离模块，将被测交流电流 转换成同频同相的小交流电流信号。将220V的N线按照电流互感器产品标签上的输入信 号方向穿过互感器，以保证输出信号与被测信号同相。所述的电压互感器是一种交流电压采样器，采用特制隔离模块，将被测交流电压 隔离转换成同频同相的小交流电流信号。将220V的N线与L线按照电压互感器产品标签 上的标注分别与V+与V-连接，以保证输出信号与输入信号同相。所述的流/压变换电路是将电流互感器、电压互感器所测得的电流、电压信号转 换为电子式电能表芯片模拟输入端要求范围内的小电流、电压信号。所述的电子式电能表专用芯片是一种可以监测电流、电压、功率、电量等电参数的 专用芯片。所述的无线微控制器是一种低功耗Zigbee无线通信微处理模块。实现Zigbee通 信协议，可与其他Zigbee设备组网进行数据传输。所述的RS232通信芯片的信号输入输出引脚T1IN、RlOUT与微控制器的T)(D、RXD 连接，T2IN、R20UT与微控制器的RTS、CTS连接。微控制器对获得的数据进行计算分析后， 通过RS232芯片传送给计算机用户。所述的电源转换芯片是一种将外接5V电源转换为板子芯片工作所需电压的芯 片。所述的继电器控制模块由电磁继电器以及外围控制电路构成。电磁继电器实现数 字信号控制机械通断的功能，而外围电路实现用3V控制电压控制5V电压。由于继电器的 闭合需要大约4V到5V的电压，所以无法直接用3V输出信号直接控制。外围电路用一双极 型三极管实现，B极接3V控制信号，E极接5V被控信号。本发明的工作原理是分别将电压采样和电流采样结果通过流/压变换电路转换 为电能表芯片接受的信号并输入至电能表芯片的模拟信号输入端，电能表芯片据此由内部 的电能计算函数计算出电能以及有功功率、无功功率、功率因数等各种电参数，并按类型存 入相应寄存器中。无线微控制模块通过双向串行接口与电能表芯片相连，读取测量的各种 电参数数据，并通过内部的无线通信模块将计量结果向控制中心传输。如图1，该电能监测智能无线传感器由监测部分、无线微控制模块、电源模块构成。 电压、电流信号分别通过电压互感器、电流互感器采样并通过流/压变换电路转换为电能 表芯片接收的信号并输入至电能表芯片的模拟信号输入端，电能表芯片据此由内部的电能 计算函数计算出电能以及有功功率、无功功率、功率因数等各种电参数，并按类型存入相应 寄存器中。无线微控制模块通过双向串行接口与电能表芯片相连，读取测量的各种电参数 数据，并通过内部的无线通信电路将计量结果向控制中心传输。
监测部分在被监测的用电设备的电气主回路上安装有电压互感器、电流互感器和 电子式电能表专用芯片，以获取用电设备的电量数据。控制部分在被控制的用电设备的电气主回路上安装有电磁继电器，以控制用电设 备的回路通断。电子式电能表专用芯片采用美国Cirrus Logic公司研制生产的偏上电表芯片 CS5463，带有串行接口和Δ-Σ模/数转换器，能够进行高速功率(电能)计算。此外， CSM63片内还带有温度传感器，有助于设计者调整温度漂移误差，提高测量精度。CSM63 电压和电流输入通道皆采用差分输入。电压通道输入范围为150mV(rmS)，电流通道根据增 益设定的不同(为10或50)，相应的输入电压范围为150mV(rms)或30mV(rms)。如图2，电压互感器采用维博WB系列PT43B002交流电压采样器，为变比1 1的 电流型电压互感器。采用特制隔离模块，将被测交流电压隔离转换成同频同相的小交流电 流信号。将220V的N线与L线按照电压互感器产品标签上的标注分别与V+与V-连接，以 保证输出信号与输入信号同相。该互感器是通过从输入回路中索取ImA电流来达到测量目 的的，工作时须使用外部定标电阻，阻值按1000 Ω/V选取，改变阻值可以达到测量不同电 压的目的。本发明将阻值选为330ΚΩ，用来测量交流220V电压。输出为跟踪电流源输出， 满度标称输出为1mA，使用时须在输出回路中串入采样电阻。根据后面连接的电能表芯片 CS5463要求的电压范围为150mV，将电阻阻值定为150 Ω。如图3，电流互感器采用维博WB系列CT43B402交流电流采样器，变比为2000 1。 采用特制隔离模块，将被测交流电流转换成同频同相的小交流电流信号。将220V的N线按 照电流互感器产品标签上的输入信号方向穿过互感器，以保证输出信号与被测信号同相。 输出为电流源输出，使用时应在输出回路中串入采样电阻。由于本发明测量最大IOA的交 流电流，根据变比可算得输出为5mA电流，根据后面连接的电能表芯片CSM63要求的电压 范围为150mV，将电阻阻值定为30 Ω。流/压变换电路将被测信号变换后以差模电压的形式接到CSM63的模拟信号 输入端。由于互感器角差的影响，可能造成输入信号的相移，使功率测量的误差增大，而 CS5463具有相位补偿功能，可以大大减小互感器角差的影响。如图4，无线微控制模块采用JNENIC公司的JN5139无线控制模块。该模块是一款 兼容于IEEE 802. 15. 4的低功耗、低成本无线微型控制器。该模块内置一款32位的RISC处 理器，配置有2. 4GHz频段的IEEE 802. 15. 4标准的无线收发器、64KB的R0M、96KB的RAM。 JN5139模块有一个SPI串口，作为主器件，能带4个从器件。在该串口通信中，JN5139模块作为串口的主模块，CS5463作为次模块。电能表芯 片CSM63测取电压有效值、电流有效值、有功功率、电能等电参数后，通过SPI串行接口传 输至JN5139无线控制模块，由JN5139进行数据处理。CSM63的串行接口使用了 2条控制 线/CS、SCLK和2条数据线SDI、SDO的外接方式。/CS为片选控制线，低电平有效；如果将 CS直接与逻辑0相连，则只要三根接口线就可完成串行通信的操作。SDI为串行数据输入 线；SDO为串行数据输出线；SCLK为串行时钟，用于控制CSM63与微控制器JN5139之间数 据传输同步。每次数据读/写操作都要向SDI引脚写入一个8位的命令字节，此操作需要8个 SCLK时钟周期。当写入“寄存器读/写”命令时，串口会经过M个SCLK周期从SDI读入数据或在8、16、M个SCLK周期后从SDO上输出数据。 如图5，RS232通信芯片采用ADM3312E，RS232通信芯片的信号输入输出引脚Tl IN、 RlOUT与微控制器JN5139模块的T)(D、RXD连接，T2IN、R20UT与微控制器的RTS、CTS连接。 微控制器JN5139对获得的数据进行计算分析后，通过ADM3312E芯片传送给计算机用户。如图6，本发明采用外接开关电源将交流220V电压转换为+5V直流电压，供给 CS5463芯片。由于JN5139模块及ADM3312E工作在+3. 3V电压，因此使用电源转换芯片 AMSl 117 (5-3. 3)进行电平转换获得+3. 3V电压。如图7，电磁继电器控制外围电路。本继电器的型号为HH53P-3Z-6VDC，采用3组 转换触点设计。支持M0VAC/^8VDC回路通断控制。P0，Pl，P2为输入或输出端口，其中， PO是继电器控制信号端，由高低电平实施控制。Pl和P2是继电器的控制端，可输出OV到 5V的电压。当控制端为高电平3V时，Ql的发射结导通，那么集电极饱和导通，由于饱和导 通下CE间电压降很小，所以PI、P2间的电压降将接近5V，按继电器的规格，此时继电器可 安全闭合；当控制端为低电平OV时，Ql的发射结截止，那么CE间只有微小穿透电流，此时 P1、P2间电压降极小，将远远低于继电器规定的断开临界电压，那么继电器将安全断开。继 电器中的线圈在两端电压突变的瞬间将产生很大的自感电动势，从而在集电极产生很大的 电流，极易将Ql烧坏，因而在PI、P2两端并联一个二极管，使之与线圈形成闭合回路，避免 高电流从Ql的集电极通过。
权利要求
1.一种基于Zigbee技术的细粒度电量监控无线智能插座，接在220伏供电系统中，由 监测部分、无线微控制模块、电源模块以及继电器控制模块构成，其特征是，监测部分由电 流互感器、电压互感器、流/压变换电路、电子式电能表专用芯片组成；无线微控制模块由 无线微控制器、RS232通信芯片组成；电源模块由电源转换芯片组成；而控制部分则是由电 磁继电器实现；电压采样和电流采样结果通过流/压变换电路转换为电子式电能表专用芯 片接受的信号并输入至电子式电能表专用芯片的模拟信号输入端，电子式电能表专用芯片 据此由内部的电能计算函数计算出电能以及包括有功功率、无功功率、功率因数的各种电 参数，并按类型存入相应寄存器中；无线微控制模块通过双向串行接口与电子式电能表专 用芯片相连，读取测量的各种电参数数据，并通过内部的无线通信电路将计量结果向控制 中心传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee技术的细粒度电量监控无线智能插座，其特 征是，所述的电流互感器是交流电流采样器，采用特制隔离模块，将被测交流电流转换成同 频同相的小交流电流信号，将220V的N线按照电流互感器产品标签上的输入信号方向穿过 互感器，以保证输出信号与被测信号同相。
3.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee技术的细粒度电量监控无线智能插座，其特 征是，所述的电压互感器是交流电压采样器，采用特制隔离模块，将被测交流电压隔离转换 成同频同相的小交流电流信号，将220V的N线与L线按照电压互感器产品标签上的标注分 别与V+与V-连接，以保证输出信号与输入信号同相。
4.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee技术的细粒度电量监控无线智能插座，其特 征是，所述的流/压变换电路是将电流互感器、电压互感器所测得的电流、电压信号转换为 电子式电能表芯片模拟输入端要求范围内的小电流、电压信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee技术的细粒度电量监控无线智能插座，其特 征是，所述的电子式电能表专用芯片是一种可以监测电流、电压、功率、电量等电参数的专 用芯片。
6.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee技术的细粒度电量监控无线智能插座，其特 征是，所述的无线微控制器是一种低功耗Zigbee无线通信微处理模块。实现Zigbee通信 协议，可与其他Zigbee设备组网进行数据传输。
全文摘要
本发明涉及自动计量电量以及控制用电器交流回路开闭的装置。为提供一种安全、准确、便捷的电量监控智能无线传感器，可以实现无线自动抄表、监测单个用电设备的电量、自动控制用电设备通断等应用，本发明采取的技术方案是，基于Zigbee技术的细粒度电量监控无线智能插座，接在220伏供电系统中，由监测部分、无线微控制模块、电源模块以及继电器控制模块构成，监测部分由电流互感器、电压互感器、流/压变换电路、电子式电能表专用芯片组成；无线微控制模块由无线微控制器、RS232通信芯片组成；电源模块由电源转换芯片组成，而控制部分则是由电磁继电器实现。本发明主要应用于自动计量电量以及控制用电器交流回路开闭。
文档编号G01R22/06GK102074855SQ20101055847
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者吕志宏, 石高涛, 赵增华, 高宜文 申请人:天津大学