基于ZigBee通信的电量计量插座设计
2019-08-12 15:31:53   来源：东方头条   

基于ZigBee通信的电量计量插座设计

罗伯特侯

0.引言

随着生活水平的提高，空调、冰箱、电脑、饮水机、电视机、洗衣机、微波炉等越来越多的家用电器进入了普通家庭，成为人们生活中不可或缺的生活品，这些家用电器带给我们生活方便的同时，在待机时所产生的能耗也成为能源消耗的主要根源。在国际能源紧张的大环境下，珍惜、合理的利用能源已成为我们每个人的职责所在。据测算，我国家电待机功耗占民用电力消耗的3%～13%，而这些是我们普通用户无法能直观感受到的。除了浪费能源以外，长期待机还导致意外事故频频发生。居民办公楼火灾损失中有3成以上是由电气火灾引发的；长期处于通电，也将导致电器元件寿命大大缩短，使电器过早报废。

现有的电量计量设备都是用来计量用户的总用电信息，对每台电器详细的耗电情况无从获取。在家庭办公环境用电接口中，插座是最常见的取电方式，为此我们提出一款集电能采集监控、可手控通断、10A向16A电气性能兼容的带有ZigBee通讯功能的电量计量插座，能够有效的对单个、部分用电设备电能消耗实施有效监控。实现对用电设备功率、电量能耗检测；电网功率因数、电流、电压等信息监控，并通过ZigBee网络将采集信息传递至智能网关进行处理，通过一定的用电情况图形及数据分析，帮助用户及时了解自身的用电特点，调整用电行为，达到节约能源，节省电费、保护用电设备的目的。

1.总体方案

本系统以EM250 ZigBee射频芯片为核心，处理各种按键输入、参数修改、电压电流采集、控制输出等，并通过ZigBee射频进行远程数据读取，通过ADE7763检测电压，电流，功率，频率；按现实需求配合上位机定时查询传送电量。

2.硬件设计

计量插座的硬件设计框图如图1所示。设计主要包括以下功能模块：计量模块、通信模块、控制模块、人机接口、电源模块。计量模块由ADE7763计量芯片、电压采样模块和电流采样模块构成；人机接口由按键和LED指示灯构成；控制模块由继电器构成，可以实现对负载对通断控制；电源板部分包括把220V电源转化成5V、3.3V给内部电路供电。其中EM250是整个设备的控制器，并实现ZigBee通信。

图1 硬件框图

2.1计量模块

计量模块电路如图2所示。图中R18、R19组成电压采样分压电路，R5为电流采样电阻。电压电流信号经采集电路调理后，接入采集芯片ADE7763。

图2 计量模块电路

ADE7763是ADI的一款高性能电能计量芯片，能够测量有功电能、视在电能、瞬时电压、瞬时电流、电压有效值、电流有效值；在1000：1的动态范围内有功功率的测量误差<0.1％ ，符合IEC 61036／61827标准；具有相位误差，直流偏移，增益等校正功能；能够检测信号过零、跌落、超标；可通过SPI接口与主芯片进行连接。

输入电压Vin经过分压电阻R18和R19的分压，输入到电能计量芯片ADE7763。

ADE7763电压检测输入通道最大范围为500mV，经计算取R18为 330k*3 = 990kΩ，取R19为1kΩ，分压比为990：1。为保护内部电路，Vin并联470V亚敏电阻进行过压防护。

式1由上公式1可知，ADE7763接收到的电压信号最大值为0.475V，满足要求。分压网络电阻由额定功率1/8W、 0805封装的电阻组成，单颗330k欧姆电阻消耗功率为0.016W,满足分压电阻的额定功率要求。

电流采样电路中，R5采用锰铜电阻，阻值为2mΩ。电流流经R5，产生电压值V1P，接入到ADE7763，从而实现对电流的测量。该电路可以实现对低至20mA的负载电流的准确测量。

2.2 通信模块

图3中为通信模块硬件框图。图中W_M250_A为我公司基于EM250开发的一款ZigBee通信模块。

图3 通信模块框图

EM250是一款EMBER公司的16位处理器，集成了ZigBee PRO 2007协议栈，内含128KB的FLASH和5KB的RAM,还有I2C、SPI、UART、TIMER和GPIO等片内外扩展接口。可方便的与其它ZigBee设备进行信息交互。

2.3控制模块

控制模块电路图如图4所示。控制模块使用继电器控制负载通断。

图4 继电器输出电路

继电器回路输出采用一块独立芯片CY8C21534芯片来控制，实际工程应用中，继电器在大电流或容性负载使用场合，容易出现触点发生熔合，无法断开的现象。如图4所示，在220V供电回路中，添加过零检测电路，从整流后级取出电源零点同步信号，由CY8C21534根据前级控制输出信号，在过零点处让继电器闭合或断开，减少大电流对继电器触点的损害，大大延长继电器寿命。

2.4电源模块

图5 电源模块电路

电源采用非隔离交流到直流变换方案，实现市电到直流5V到转换，给内部电路供电。

3.软件设计

3.1主流程设计

计量插座软件主流程图如图6所示。计量插座有2个模式：校表模式和工作模式。上电后，首先对ADE7763进行初始化操作，之后读取flash中校准参数存储区，并判定是否存在有效的校准数据，若没有校准数据，则进入校表模式；若有有效的校准数据，则根据模式控制位bWorkMode是否置位选择进入的模式；当bWorkMode为真时，进入工作模式，为假时进入校表模式。

图6 计量插座软件主流程图

3.2工作模式设计

图7为计量模块工作模式流程图。工作模式下，主控芯片EM250首先进行设置中断和切换增益等动作，之后启动ADE7763采样，当ADE7763完成一次采样后，会输出信号出发EM250中断，EM250在中断发生后读取ADE7763电压、电流有效值、有功功率、视在功率等数据，然后进行一定的运算后得到电参量。EM250会根据实际电压复制调整ADE7763的增益值，以获取最优的采集精度。

测量数据被填充到read_data数据区，该区数据以设定的周期通过ZigBee上传，数据包括电压、电流、功率（有功、视在）、频率、电能等。同时，测量数据被保存到flash中。

图7 计量插座工作模式流程图

3.3校表模式设计

为获取更高的测量精度，计量插座出厂前，需要对其进行校准。校准模式下，进行偏移失调寄存器校准，并把校准的数值存入校准寄存器。通常需要三个阶段的校准：增益校准、相位校准和失调校准。校准流出如图8所示。

图8 计量插座校准流程图

进入校准模式后，配合外部标准信号源的输入，依次进行增益校准、相位校准和失调校准，并将校准数据保存到flash，然后重启设备。当校准失败时，输出LED状态变化，用以提醒用户。

4.产品实测结果

计量插座样机实测数据如表1所示，达到预期指标。

表1 计量插座实测数据

计量插座接入ZigBee网络后，能够响应从ZigBee网络传送过来的远程控制命令，实现对计量插座的继电器进行控制动作，同时把当前电压、电流、有功功率、累积电量等信息通过无线信号发送至智能网关，可在智能网关上实现对区域内的用电设备进行集中管理控制。多个区域内的智能网关通过以太网连接，把数据进一步汇总到一起，配合特定的上位机监控软件，即可对大楼里面所有房间的用电设备进行集中监控管理，如图9所示。可对无人房间电器设备工作状态、电能信息进行监控，并实现远程控制。

图9计量插座组网架构图

5.结束语

本文分析了家居智能化的市场需要，提出了一种电能计量插座概念产品，并基于ZigBee通信技术，从硬件电路和嵌入式软件方面进行了设计实现。经过测试，产品各项指标符合设计要求，证实了设计方案的正确性。目前，产品已在多个项目中运用，取得良好效果。