摘 要： 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。该设备能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，进行智能决策，通过无线网络控制继电器开断电源，从而节约电能。
关键词： ZigBee；电量监控；智能家居；智能插座；嵌入式系统
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，这就要求将浪费减到最小，需要对电器进行细粒度电量监测[1]。但是现有的计量设备[2-3]都是用来计量用户总的用电量信息，而不能计量特定用电器特定时间段内的耗电量。
本系统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，其可以达到对电器耗电量的细粒度计量，并能通过继电器有效控制电器的供电回路通断。该设备分别利用电流互感器和电压互感器采集流入电器的电流和两端的电压，并转换为数字化的功率值，然后交给微处理器处理和无线发送。同时，微处理器还可以通过继电器控制电器回路的通断。
1 系统架构及测量原理
基于ZigBee技术的细粒度电量监控无线智能插座主要由电量采集单元、无线微控制器、智能开关控制单元和供电单元组成，系统构成方框图如图1所示。
电量采集单元负责采集用电设备的能耗信息。采用专用的功率测量芯片，使监测到的数据信息综合误差得到修正，精度高且硬件设计简单，也省去了软件上计算的复杂性。
采用集微处理器和RF收发芯片于一体的SoC芯片代替数据处理模块和数据通信模块，既负责控制整个节点的处理操作、路由协议等，又负责与其他节点或Sink节点进行无线通信、收发数据，并使得节点本身的体积缩小，功耗降低，成本缩减。
智能开关控制单元负责控制用电设备开关的通断，命令由无线微控制器发出，动作的实施由控制单元执行。采用继电器来完成通断电控制的功能。
供电单元负责为其他单元提供工作电压。采用外接AC-DC开关电源以减小节点体积，然后利用稳压芯片得到各模块芯片所需的工作电压。
电压、电流信号分别通过电压互感器和电流互感器采样，并通过流/压变换电路转换为电能表芯片接收的信号输入到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、有功功率、无功功率及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。
2 电量采集单元
数据采集单元是智能电量采集网络节点的重要部分，也是保证该节点的电量测量精度的重要环节。数据采集单元主要由电压采样电路、电流采样电路、电子式电表专用芯片CS5463[4]等构成，硬件框图如图2所示。
电压、电流信号分别通过电压互感器和电流互感器采样并通过流/压变换电路转换为电能表芯片CS5463接收范围内的信号并输入至CS5463的模拟信号输入端。CS5463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150 mV，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150 mV或30 mV。CS5463据此由内部的电能计算函数计算出电能、有功功率、无功功率及功率因数等各种电参数，并按类型存入相应寄存器中。
2.1 电压采样电路
电压采样电路由电压互感器、电阻网络和去抖电容组成。电压互感器采用维博WB系列PT43B002交流电压采样器[5]，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220 V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1 mA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1 000 Ω/V选取，改变阻值可以达到测量不同电压的目的。输出端为跟踪电流源输出,满度标称输出为1 mA，使用时需要在次级跨接采样电阻。根据后面连接的电能表芯片CS5463要求的150 mV的电压范围，将电阻阻值定为150 Ω。电压采样电路原理图如图3所示。
2.2 电流采样电路
电流采样电路由电流互感器、电阻网络和去抖电容组成。电流互感器采用维博WB系列CT43B402[6]交流电流采样器，为变比2 000：1的电流互感器。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220 V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。由于最大测量的交流电流为10 A，根据变比可算得输出电流为5 mA，由于后面连接的电能表芯片CS5463要求的电压范围为150 mV，将电阻阻值定为30 Ω。电流采样电路原理图如图4所示。
2.3 电子式电能表芯片CS5463
CS5463由两个可编程的增益放大器、两个Δ-∑模数转换器（ADC）、高速滤波器、功率计算引擎、串行接口、偏置和增益校准、功率监测、电源监视器及相应的功能寄存器等组成。模拟的电流/电压输入通道输入的是差分电压信号，满量程输入为±250 mV。两个可编程放大器采集电流和电压数据，放大后由?驻-∑模数转换器对模拟量进行采样、处理，采样的结果通过数字低通或可选的高通滤波器（HPF）滤取符合要求的电流电压数字信号。电流和电压通道都提供了一个可选的高通滤波器，它可以除去电流和电压信号里的全部直流成分，减少有效值、有功功率、电能等计算中由电流或电压信号的偏移带来的不精确性。功率计算引擎计算各类电参数，如电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率等，将计算的结果值存储在相应的寄存器中，并通过串行接口（SPI）输出。CS5463内部结构框图如图5所示。
3 数据传输单元
数据传输单元采用Jennic公司的JN5139[7]模块实现。在设计时，将JN5139模块的所有引脚都引出以便系统的扩展。
JN5139模块是基于Jennic第二代无线微控制器的低功率无线通信模块，它能使客户在最短的时间内以最低的成本实现IEEE 802.15.4或ZigBee的无线系统。该模块减少了用户对于RF射频设计和测试工装的昂而贵漫长的开发。该模块利用Jennic公司的JN5139无线微控制器来提供完整的射频和RF器件的解决方案，提供了开发无线传感器网络所需要的丰富的外围器件。
4 智能开关控制单元
本着节能的目的，根据采集到的各种电器的能耗数据，可以预测到用户的用电习惯，比如用户在哪个时间段用什么电器。根据用户的用电习惯，为电器定时，或者由用户进行远程控制，系统可以实现自动控制对电器的开关通断。
通断电控制电路应用继电器完成。继电器是常用的一种控制设备，继电器的高低压隔离及开关特性在很多的控制系统中得到广泛应用。电路设计图如图6所示。
电路的工作原理是，在正常情况下，处理器的I/O口为低电平，三极管处于截止状态，继电器线圈内无电流，所以继电器处于常闭状态，用电器处于供电状态；当需要断电时，I/O口置高电平，三极管导通，继电器线圈内有电流流过，使继电器处于常开状态，切断供电。
图6中的二极管是专门为保护驱动器而设置的。在驱动器的输出由“1”变“0”、继电器的线圈从有电流变到无电流过程中，由于它的线包是感性负载，因此会产生很高的感性电势，此时二极管提供的泄洪回路可保护驱动器不被反电势击穿。
5 电源管理单元
嵌入式应用系统中最重要并且最严重的干扰来源于电源的污染。通常，嵌入式系统使用的电源一般都是由市电电网的交流电经变换后得到的。随着工业生产的快速发展，市电电网电源污染问题日趋严重。同时，各种干扰也极易耦合到供电线路中，这种电源干扰将会通过嵌入式应用系统的电源线路引入到系统中。因此，设计可靠的、抗干扰性能良好的嵌入式应用系统供电电路对提高系统抗干扰性能来说是非常重要的。
本设备上器件的工作电压共有12 V、5 V和3.3 V三种。供电单元需要提供这三种电压以使所有器件正常工作。电源设计原理图如图7所示。
6 功能验证
电量监控模块典型的应用形式是一个集本文设计的模块、AC-DC转换器和普通插座为一体的智能插座。AC-DC转换器将220 V的交流电转换为直流电，用以为电量监控模块供电。插座的干路穿过电流互感器以采集原始电流数据，而电压互感器则并联在火线和零线之间以采集原始电压数据。
本电量监控模块可以通过无线组网来组成更大的监控系统。以下对系统的功能验证的实验采用的就是这种体系结构。
为了验证系统的功能，选取了普通笔记本电脑进行测量[1]，统计能耗情况。
实验一：测量IBM T43 2668笔记本分别在正常工作、运行游戏、运行视频、运行Windows update程序、待机和休眠6种情况下的功率情况。
本实验利用电量采集智能插座，其内部的电量采集模块采集电量信息的频率设置为1次/s，采集到的信息上传服务器的频率设置为1次/min，因此，测得的每个数据是1 min内得到的60个数据的平均值。这里，对每一种状态的测试持续10 min，分别得到10个数据。此外，由于Window update程序运行的时间无法自由控制，因此，这里采用多次累计测得10 min的数据。表1列出了测试结果。
从表1可以看出，不同的工作状态下IBM T43 2668在单位时间消耗的能量是不同的。运行游戏程序和播放视频的时候耗能相对较多，这是因为这两类任务都需要显卡来处理大量的数据，而且，视频的编解码也会占用大量的CPU时间，耗能较多。正常工作指的是在启动计算机以后，不进行任何操作。前3 min耗电比较多是因为系统刚开始启动，某些系统服务和启动项需要启动，之后耗电逐步稳定。待机状态耗电明显降低，而休眠状态测得的值为0，与理论值一致。
实验二：用户行为分析。
为了说明系统基于测量的用户用电行为分析，对1台学生科研用的IBM T43 2668笔记本电脑日常耗电情况进行了监测，检测时间为60 min，要求学生在60 min内每个时刻只可以让电脑处于实验一提到的6种状态之一。
采集数据的频率和获得数据的频率与实验一相同。60 min内获得了60个数据，如图8所示。
图8中，1处为第一个峰值，而1和2处的平均值是8.95 Wh，与实验一中的数据对照，发现符合正常运行时的情况，因此，推断此处为运行其他程序的情形。3处是第二个峰值，此处耗电相对较稳定，经计算均值为15.56 Wh，与实验一中的数据对照，发现此处和运行游戏的情形吻合，因此推断此时在运行游戏程序。大约20 min的时候，耗电急剧下降，到达了低谷4处，经计算，此处的耗电均值为6.47 Wh，对照实验一的数据，推断此时是待机状态。再观察5处，又有个小的峰值，并且看似与2处持平，推断此时电脑从待机状态恢复了正常运行状态。6处达到了整个实验的最高处，而实验允许操作者进行的最耗能的操作是观看视频，所以推断此时是视频播放状态。同样，可推断7处是操作者进行了系统更新操作，而8处的耗电量为0，可以断言是休眠导致的。最后，将这些推断与操作者实际进行的操作进行对照，发现完全吻合。由此，成功实现了一个简单的用户行为分析。
通过以上的两个实验可以对系统做出简单的功能性验证。从实验一可以看出该系统可以对用电器的用电进行细粒度的检测。实验二说明这些检测到的细粒度耗电信息可以通过无线网络传输到后台用作行为分析，从而做出相应的决策。本系统可以通过控制继电器来实现对电器回路通断的控制，这就是一种典型的决策实现方式。
本系统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，同时还可以动态控制电器的通断。另外，由于此设备装有ZigBee模块，因此，可以用来和其他带有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。
参考文献
[1] 石高涛，赵增华，徐瑞涛，等.基于无线传感器网络的细粒度电器能耗计量系统[J].传感技术学报，2010，23（6）.[2] 黄界.基于AVR的智能节能插座设计[J].现代电子技术，2010，33（12）：188-190.
[3] 温铁钝，孙键国，张天宏.无线遥控智能插座的设计[J].测控技术，2003，22（10）：53-55，59.
[4] 电子式电表专用芯片CS5463[EB/OL].[2011-09-01]. http：//icpdf.com/PartnoView.asp？id=705711_514440.
[5] 电压互感器WBPT43B002[EB/OL].[2011-09-01].http：//www.wb-my.com/products_show.asp？Cp_id=307.
[6] 电流互感器WBCT43B402[EB/OL].[2011-09-01].http：//www.wb-my.com/products_show.asp？Cp_id=303.
[7] 无线模块Jennic JN5139[EB/OL].[2011-09-01].http：//www.jennic.com/products/wireless_microcontrollers/jn5139.