北大版-付蔚編著-家居物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)及實(shí)踐ch07

1、第七章 能耗管控 7.1 7.1 能耗管控體系概述能耗管控體系概述7.2 7.2 能耗管控的典型設(shè)備能耗管控的典型設(shè)備7.3 7.3 設(shè)備選型和性能設(shè)備選型和性能7.1 能耗管控體系概述 常用家庭電器，如電視、冰箱、空調(diào)等大功率電器其電源線只需直接插在無(wú)線能耗檢測(cè)儀上，便能正常進(jìn)行工作，其瞬間有功功率、電量、電費(fèi)等信息能直接在無(wú)線能耗檢測(cè)儀上顯示，由于內(nèi)置無(wú)線通信模塊，這些數(shù)據(jù)信息可以通過(guò)無(wú)線協(xié)議IEEE802.15.4E通過(guò)無(wú)線路由發(fā)送給家庭無(wú)線網(wǎng)關(guān)。家庭無(wú)線網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)信息進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式后通過(guò)樓層交換機(jī)把數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給室內(nèi)機(jī)和本地服務(wù)器。室內(nèi)機(jī)在接收到數(shù)據(jù)幀后，對(duì)家電能耗信息數(shù)

2、據(jù)進(jìn)行解析并顯示在UI界面上。本地服務(wù)器同樣通過(guò)以太網(wǎng)獲取到家電能耗數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析后存儲(chǔ)在本地后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)構(gòu)建遠(yuǎn)程訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)，這樣遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、3G手機(jī)、平板電腦在能夠上網(wǎng)的情況下，通過(guò)TCP/IP訪問(wèn)本地服務(wù)器獲取能耗數(shù)據(jù)以及發(fā)送控制命令，控制命令通過(guò)本地服務(wù)器把控制命令由以太網(wǎng)發(fā)送給家庭多功能無(wú)線網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)發(fā)送給無(wú)線路由，再發(fā)送給無(wú)線能耗檢測(cè)儀解析控制命令并執(zhí)行操作，這樣就實(shí)現(xiàn)了IEEE802.15.4E網(wǎng)絡(luò)的能耗檢測(cè)儀組網(wǎng)和遠(yuǎn)程能耗監(jiān)控。智能家居無(wú)線能耗監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。 根據(jù)無(wú)線能耗檢測(cè)儀的需求分析，從低成本、低功耗、準(zhǔn)確可靠性出發(fā)，左圖給出了無(wú)線能耗檢測(cè)儀的方案圖

3、。在本方案中，選用電能計(jì)量芯片以及電壓電流采集電路的形式，把電能脈沖信號(hào)傳送給主處理器芯片進(jìn)行處理計(jì)算，同時(shí)把得到的能耗數(shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)線射頻芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。另外，方案中主處理器自身集成串口、時(shí)鐘和存儲(chǔ)接口，其外圍配備LCD顯示、按鍵和繼電器接口來(lái)滿足功能需求。電源管理電路直接從220VAC取電后，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換給各部分電路提供電源。7.2 能耗管控的典型設(shè)備7.2.17.2.1 能耗監(jiān)測(cè)儀能耗監(jiān)測(cè)儀無(wú)線能耗檢測(cè)儀方案圖 無(wú)線能耗檢測(cè)儀的總體硬件設(shè)計(jì)方案如左圖所示。各個(gè)硬件電路模塊構(gòu)成了整個(gè)無(wú)線能耗檢測(cè)儀，每個(gè)硬件模塊都有著不同的功能，在整個(gè)硬件系統(tǒng)中都承擔(dān)著一定的作用。其中核心部分是計(jì)量電路的設(shè)計(jì)，它是

4、電能表計(jì)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵部分，是電能表計(jì)量功能的體現(xiàn)，但是其他部分也是缺一不可的，特別是MCU ATmage64控制器，它是硬件系統(tǒng)的靈魂，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各個(gè)部件協(xié)調(diào)控制，共同完成家庭電器能耗信息的采集與數(shù)據(jù)收發(fā)。無(wú)線能耗檢測(cè)儀總體硬件框圖 無(wú)線能耗檢測(cè)儀的硬件是采ADE7755+ATmega64+CC2430的主體結(jié)構(gòu)，外圍配備電壓電流采集電路、LCD顯示電路、電源管理電路、鍵盤(pán)掃描電路以及開(kāi)關(guān)控制電路。其中ADE7755是一種用于功率測(cè)量和電能計(jì)算的高準(zhǔn)確度的專(zhuān)用集成電路芯片，它可與不同量程傳感器直接相連，從而達(dá)到簡(jiǎn)化接口設(shè)計(jì)并提高功率測(cè)量的精確度和穩(wěn)定性的目的。由于它的輸出為脈沖信號(hào)，所以CP

5、U通過(guò)中斷引腳可以方便準(zhǔn)確的進(jìn)行電量的累計(jì)。當(dāng)有負(fù)載時(shí)，瞬時(shí)功率信號(hào)CF輸出脈沖信號(hào)給微控制器ATmega64，通過(guò)對(duì)CF的計(jì)數(shù)，可以得到累計(jì)的電量信息，然后ATmega64內(nèi)部采用功率算法，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定積分時(shí)間對(duì)CF進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后除以積分時(shí)間得到瞬時(shí)有功功率，并且根據(jù)設(shè)定的電價(jià)，得到電費(fèi)等數(shù)據(jù)信息。然后ATmega64將電器的瞬時(shí)有功功率值、累計(jì)電量、電費(fèi)等數(shù)字信息通過(guò)串口發(fā)送給CC2430，CC2430通過(guò)無(wú)線路由把數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線路由發(fā)送給智能家庭網(wǎng)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)底層電器能耗信息的無(wú)線采集。7.2.2 智能三表采集器智能三表采集器 智能三表采集器的硬件機(jī)構(gòu)圖如左圖所示，各個(gè)硬件電路模塊構(gòu)

6、成了整個(gè)智能三表采集器，每個(gè)硬件模塊都有著不同的功能，在整個(gè)硬件系統(tǒng)中都承擔(dān)著一定的作用。模塊與模塊之間又通過(guò)MCU統(tǒng)一地聯(lián)系在一起，共同完成數(shù)據(jù)的采集、處理和上傳。 智能三表集采器硬件結(jié)構(gòu)圖 智能三表采集器的中心處理器采用的是Samsung S3C6410A芯片，外圍配備電源模塊、觸摸屏顯示電路、RS-485轉(zhuǎn)TLL模塊、無(wú)線zigbee CC2530模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、JTAG接口。其中三表數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485傳出，經(jīng)過(guò)一個(gè)RS-485轉(zhuǎn)TLL的模塊將采集的485信號(hào)轉(zhuǎn)換成TLL信號(hào)，通過(guò)串口接受，傳入中心處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再由觸摸屏顯示電路顯示出來(lái)，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊將處理的數(shù)據(jù)顯

7、發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)和樓層交換機(jī)，上傳到小區(qū)服務(wù)器。無(wú)線zigbee CC2530模塊用來(lái)接收三表的無(wú)線數(shù)據(jù)，JTAG接口用來(lái)程序的下載和調(diào)試。（1 1）能耗監(jiān)測(cè)儀設(shè)備選型和性能）能耗監(jiān)測(cè)儀設(shè)備選型和性能 主控電路主控電路 ATmega64內(nèi)部擁有64K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW)，2K字節(jié)EEPROM，4K字節(jié)SRAM，53個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 (RTC)，四個(gè)具有比較模式與PWM 的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 (T/C),兩個(gè)USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)

8、器，一個(gè)SPI串行端口，與IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容的、可用于訪問(wèn)片上調(diào)試系統(tǒng)及編程的JTAG接口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。7.3 設(shè)備選型和性能7.3.1設(shè)備選型和性能設(shè)備選型和性能 另外ATmega64是以Atmel高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash允許程序存儲(chǔ)器通過(guò)ISP串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過(guò)運(yùn)行于AVR內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)(Application Flash Memory)。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程

9、序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW操作。 通過(guò)將8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，使ATmega64 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。 右圖給出了ATmage64微處理器電路原理圖，圖中在每個(gè)電壓輸入端、晶振電路以及按鍵電路都加入了濾波電容，以此來(lái)提高芯片電壓輸入和晶振頻率的穩(wěn)定性。另外為了能夠方便的下載程序，還設(shè)計(jì)了ISP程序下載電路。MCU電路原理圖能耗檢測(cè)電路能耗檢測(cè)電路 能耗監(jiān)測(cè)電路是無(wú)線能耗檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，因?yàn)殡娏坑?jì)量的準(zhǔn)確與否直接牽涉到能耗檢測(cè)儀的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。由于電量計(jì)量芯片選擇的是ADE7755，在硬件

10、設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)其芯片管腳和主要特點(diǎn)進(jìn)行介紹。其特點(diǎn)為：精度很高，在500：1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的誤差小于1%；滿足IEC687/1036標(biāo)準(zhǔn)的要求，支持50Hz/60Hz，220VAC電壓接入；通過(guò)頻率輸出端提供的功率信號(hào)可以直接與計(jì)算機(jī)通信；電流輸入通道的放大器增益可編程；芯片采用CMOS工藝，單+5V供電，功耗極低；具有在片電源監(jiān)控功能；具有正負(fù)電能指示功能，防竊電。 ADE7755引腳，各個(gè)引腳及其功能表如下所示。引腳名引腳號(hào)功能說(shuō)明DVDD1數(shù)字電源AC/DC2通道1的HPF使能端AVDD3模擬電源NC4，19懸空閑置未用V1P，V1N5，6通道1（電流通道）的正，負(fù)極輸入端V2P，V2N7，

11、8通道2（電壓通道）的正，負(fù)極輸入端RESET9ADE7755的復(fù)位輸入端，當(dāng)為低電平時(shí)，ADC和數(shù)字電路保持復(fù)位狀態(tài)，在RESET的下降沿，清除ADE7755的內(nèi)部寄存器REFIN/OUT10ADE7755的參考電壓輸入/輸出端，外部基準(zhǔn)源可以直接連到該引腳上AGND11模擬信號(hào)接地端SCF12校驗(yàn)頻率選擇端，該引腳的邏輯輸入電平?jīng)Q定CF端的輸出頻率。S0，S113，14這兩引腳的輸入用來(lái)決定數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)，為電度表的設(shè)計(jì)提供很大的靈活性。G0，G115，16這兩引腳的輸入用來(lái)決定通道1的增益，可能的增益為1，2，8，16CLKIN17晶體振蕩器的輸入端或外部時(shí)鐘輸入端CLKOUT18晶體

12、振蕩器的輸出端REVP20正負(fù)功率指示端，當(dāng)檢測(cè)到負(fù)功率時(shí)該引腳輸出高電平，當(dāng)再次檢測(cè)到正功率時(shí)，該引腳復(fù)位DGND21數(shù)字信號(hào)接地端CF22頻率校驗(yàn)輸出引腳，其輸出頻率決定瞬時(shí)功率的大小。常用于儀表功率計(jì)算F1，F(xiàn)223，24低頻邏輯輸出引腳，其頻率的大小決定平均有功功率的大小。 由下圖可知，能耗檢測(cè)電路主要由電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、以及ADE7755外圍電路組成。首先，負(fù)載電流經(jīng)過(guò)分流器再通過(guò)濾波電路后轉(zhuǎn)換成合適的電壓信號(hào)送入到電能計(jì)量芯片ADE7755的電流通道，即V1P和V1N端；而220V相電壓則通過(guò)校驗(yàn)衰減網(wǎng)絡(luò)降壓后，再通過(guò)濾波電路送入電能計(jì)量芯片ADE7755的電壓通道，即V

13、2P和V2N端。二者經(jīng)過(guò)ADE7755轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)有功功率以高頻脈沖形式從CF端輸出然后接入到ATmage64的外部中斷信號(hào)輸入端，主控芯片通過(guò)對(duì)CF脈沖信號(hào)的定時(shí)計(jì)算和計(jì)數(shù)處理，得到瞬時(shí)有功功率和累計(jì)電量值。能耗檢測(cè)電路原理圖 使用分流器的電流采樣電路如下圖所示，其中F1為分流器，R1、R2為采樣電阻，C1、C2為采樣電容，一般選取的為27nF和33nF，他們?yōu)殡娏鞑蓸油ǖ捞峁┎蓸与妷盒盘?hào)，采樣電壓信號(hào)的大小由分流器的阻值和流過(guò)其上的電流決定。電流采樣通道采用完全差動(dòng)輸入，V1P為正輸入端，V1N為負(fù)輸入端。通過(guò)ADE7755芯片技術(shù)指標(biāo)可知，電流采樣通道最大差動(dòng)峰值電壓應(yīng)小于470mV，電流

14、采樣通道有一個(gè)PGA，其增益可由ADE7755的G1和G0來(lái)選擇。ADE7755電流采樣電路 如下表所示，當(dāng)使用分流器采樣時(shí)，G1、G0都接高電平，增益選擇16，通過(guò)分流器的峰值電壓為30mV，考慮到常用家庭電器的功耗范圍為100W至4000W，所以在能耗檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)時(shí)，按照標(biāo)定電流為5(20)A的規(guī)格，分流器阻值選擇為500，其分流器的類(lèi)型為錳銅分流器。這樣當(dāng)流過(guò)分流器的電流為最大電流20A時(shí)，其采樣電壓為50020A=10mV，不超過(guò)峰值電壓半滿度值，所以在選用 500u錳銅分流器，并使G1=1，G0=1時(shí)，理論標(biāo)定電流規(guī)格為5(20)A。G1G0增益最大差動(dòng)信號(hào)001470mV0122

15、35mV10860mV111630mV 電壓輸入通道（V2N，V2P）也為差分電路，V2N引腳連接到電阻分壓電路的分壓點(diǎn)上，V2P接地。電壓輸入通道的采樣信號(hào)是通過(guò)衰減線電壓得到的，其中R6至R14為校驗(yàn)衰減網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)短接跳線J1至J9可將采樣信號(hào)調(diào)節(jié)到需要的采樣值上，本課題設(shè)計(jì)的能耗檢測(cè)儀在基本電流為5A時(shí)，電壓采樣值為174.2 mV，為了準(zhǔn)許分流器的容差和片內(nèi)基準(zhǔn)源8%的誤差，衰減校驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該允許至少30%的檢驗(yàn)范圍，根據(jù)下圖的參數(shù)，其調(diào)節(jié)范圍為169.8 mV250 mV，完全滿足了調(diào)節(jié)的需要。這個(gè)衰減網(wǎng)絡(luò)的-3dB頻率是由 R4和C3決定的，R19、R23、R24確保了這一點(diǎn)，即使全

16、部跳線都接通，R19、R23、R24的電阻值仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R4，R4和C3的選取要和電流采樣通道的R1、C1匹配，這樣才能保證兩個(gè)通道的相位進(jìn)行恰當(dāng)?shù)钠ヅ洌蛳辔皇д{(diào)帶來(lái)的誤差影響。 ADE7755電壓通道電路原理圖 ADE7755的CF輸出頻率由其SCF、S1、S0引腳決定，其中SCF的邏輯輸入電平確定CF引腳的輸出頻率，S1、S0引腳的邏輯輸入用來(lái)選擇數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)，在家庭環(huán)境中使用的電器，其參比電壓都是為220VAC/50Hz的交流電。另外，在能耗檢測(cè)儀的理論標(biāo)定電流Ib為5（20）A，分流器阻值為500，增益選擇G=16(G0=1，G1=1，最大電流通道差動(dòng)信號(hào)為30mV)，VRE

17、F為2.5V的情況下，可以通過(guò)以下幾個(gè)步驟來(lái)選定SCF、S1、S0引腳的邏輯輸入電平。 ADE7755使能端口選擇電路如下圖所示。 ADE7755使能端口選擇電路 由于CC2430是無(wú)線SOC設(shè)計(jì)，其內(nèi)部已集成了大量必要的電路，因此采用較少的外圍電路即實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能，右圖為CC2430的電路原理圖。Y2為32MHz晶振，用1個(gè)32 MHz的石英諧振器和2個(gè)電容（C3和C4）構(gòu)成一個(gè)32 MHz的晶振電路；Y1為32.768kHz晶振，用1個(gè)32.768 kHz的石英諧振器和2個(gè)電容（C1和C2）構(gòu)成一個(gè)32.768 kHz的晶振電路。C5為5.6pF，電路中的非平衡變壓器由電容C5和電感L

18、1、L2、L3以及一個(gè)PCB微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50 )的要求。另外在電壓腳和地腳都添加了濾波電容來(lái)提供芯片工作的穩(wěn)定性。無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)電路無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)電路CC2430外圍電路原理圖 本系統(tǒng)的電源管理電路主要為系統(tǒng)提供5V和3.3V的直流電壓，同時(shí)在進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)時(shí)，在保證原理正確的情況下，必須考慮電源容量大于系統(tǒng)所需。如下圖所示，為供電方便，電源電路直接從市電220V經(jīng)AC/DC模塊降壓、整流轉(zhuǎn)換成12VDC后，通過(guò)穩(wěn)壓芯片L7805和AS1117-3.3穩(wěn)壓、濾波后，得到穩(wěn)定的5V和3.3V直流電源。 電源管理電路電源管理電路電源管理電路原理圖 如下圖所示，

19、LCD顯示電路選用的LCD12864模塊，的引腳4-6與ATmage64的I/O口相連，作為控制端口，引腳7-14通過(guò)上拉電阻與單片機(jī)的PA0-PA7連接，引腳15接地選擇并口顯示。引腳18、19串電阻后連接到5V電源調(diào)節(jié)顯示屏的背光顯示亮度。 LCD顯示電路顯示電路液晶顯示電路原理圖 在本系統(tǒng)中，輸入數(shù)據(jù)、查詢和控制功能，都要用到按鍵。如右圖所示，行線PC3-PC5通過(guò)3個(gè)上拉電阻接電源端VCC，處于輸入狀態(tài)，為輸入口；PC0-PC2控制鍵盤(pán)的行線電位，作為鍵掃描口，處于輸出狀態(tài)。MCU通過(guò)讀取PC0-PC2的狀態(tài)，即可知道有無(wú)鍵按下。當(dāng)鍵盤(pán)上沒(méi)有鍵閉合時(shí)，行、列之間是斷開(kāi)的，所有行線PC0

20、-PC2輸入全部為高電平。當(dāng)鍵盤(pán)上某個(gè)鍵被按下閉合時(shí)，則對(duì)應(yīng)的行線和列線短路，行線輸入電平即為列線輸出電平，則可以判定這個(gè)鍵被按下了。功能按鍵電路功能按鍵電路按鍵電路原理圖 根據(jù)需求分析，無(wú)線能耗檢測(cè)儀需要使用繼電器對(duì)待機(jī)的家用電器進(jìn)行切斷電源的操作。下圖給出了開(kāi)關(guān)控制電路和蜂鳴器電路原理圖，圖中主要使用了12V固態(tài)繼電器和5V有源蜂鳴器，通過(guò)NPN三極管9013和8050組成驅(qū)動(dòng)電路，在開(kāi)關(guān)電路中還使用了二級(jí)管IN4007對(duì)繼電器進(jìn)行了保護(hù)。開(kāi)關(guān)控制電路開(kāi)關(guān)控制電路蜂鳴器和繼電器電路原理圖 三表集采器硬件設(shè)計(jì)上采用S3C6410芯片為中央處理器，此芯片具有強(qiáng)大的應(yīng)用處理功能，采用ARM117

21、6JZF-S的內(nèi)核，包含獨(dú)立的16KB的Cache指令數(shù)據(jù)和TCM指令數(shù)據(jù)。當(dāng)芯片工作室，主頻最高可達(dá)到800MHz,一般正常工作時(shí)主頻為533MHz 和677MHz。S3C6410通過(guò)一個(gè)一個(gè)優(yōu)化接口與外部存儲(chǔ)器相連，存儲(chǔ)器系統(tǒng)由雙重外部存儲(chǔ)器端口、DRAM和FLASH/ROM/DRAM端口組成。為了降低系統(tǒng)的成本和優(yōu)化系統(tǒng)的總體功能，S3C6410在設(shè)計(jì)中，增加了許多硬件外設(shè)，包括相機(jī)接口、彩色液晶顯示器、4通道UART接口、32通道DMA接口、通用I/O口、總線接口等，同時(shí)包含了豐富的內(nèi)部設(shè)備，不僅減小了芯片的體積，為使用者大大擴(kuò)展了的設(shè)計(jì)可行性，同時(shí)也為后期開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了更多了選擇。（2）

22、智能三表設(shè)備選型和性能）智能三表設(shè)備選型和性能主控器設(shè)計(jì)主控器設(shè)計(jì) 電路供電電壓主要分為3.3V和5V進(jìn)行供電，對(duì)于ARM11核心芯片，串口調(diào)試電路和以太網(wǎng)接口電路采用5V供電，無(wú)線模塊電路，則需要3.3V電壓進(jìn)行供電。采用5V、1A直流電源進(jìn)行供電，為了無(wú)線模塊供電則需要對(duì)電源電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)壓，轉(zhuǎn)壓芯片采用LM1117MPX_33。其電源電路如下圖所示。 電源電路設(shè)計(jì)電源電路設(shè)計(jì)電源電路圖 無(wú)線模塊擬采CC2530F256芯片，它是一款集成了8051內(nèi)核和一個(gè)2.4G頻段的RF收發(fā)器的SOC芯片，內(nèi)部還集成了256K的Flash，8KB的RAM，提供了2路UARTS、支持7到12位分辨率的ADC

23、，可編程輸出功率達(dá)+4dBm，可最大化通信范圍的101dBm鏈路預(yù)算。時(shí)鐘電路：為芯片提供工作時(shí)鐘信號(hào)的32MHZ時(shí)鐘電路 和 為 休 眠 時(shí) 提 供 時(shí) 鐘 信 號(hào) 的32.768KHZ時(shí)鐘電路。其他外圍電路包括：外圍接口電路、射頻匹配電路以及天線，無(wú)線模塊實(shí)物如右圖所示。無(wú)線模塊設(shè)計(jì)無(wú)線模塊設(shè)計(jì)無(wú)線模塊實(shí)物 網(wǎng)絡(luò)通信電路采用DM9000AEP芯片作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信芯片，該芯片是一款完全集成符合成本效益單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器和一般處理接口，一個(gè)10/100M自適應(yīng)的PHY和4K DWORD值的SRAM。它的目的是在低功耗和高性能進(jìn)程的3.3V與5V的支持寬容。 DM9000AEP支持8

24、位， 16位和32 -位接口訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)。該DM9000Aep物理協(xié)議層接口完全支持使用10MBps下3類(lèi)、4類(lèi)、5類(lèi)非屏蔽雙絞線和100MBps下5類(lèi)非屏蔽雙絞線。這是完全符合IEEE 802.3u規(guī)格。它的自動(dòng)協(xié)調(diào)功能將自動(dòng)完成配置以最大限度地適合其線路帶寬。DM9000AEP電路原理如下圖所示。 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì) DM9000AEP電路原理圖 為了使設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中能夠具有穩(wěn)定的性能，本實(shí)驗(yàn)室利用60平方米的面積真實(shí)搭建了一個(gè)包括客廳、廚房、老人房、臥室以及書(shū)房的真實(shí)家居環(huán)境。根據(jù)家居情況以及電器分布情況，選擇了廚房的電飯煲、臥室的電熱水壺以及客廳的電視進(jìn)行設(shè)備測(cè)試和組網(wǎng)

25、測(cè)試。如右圖所示，在室內(nèi)各房間分布了無(wú)線能耗監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)線設(shè)備和有線設(shè)備，另外在室外我們可以通過(guò)手機(jī)的平板對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。從無(wú)線路由掛在客廳天花板上的位置，可以看出，用于電視的能耗檢測(cè)儀與無(wú)線路由之間沒(méi)有障礙，臥室電熱水壺的能耗檢測(cè)儀有一道墻，而廚房電飯煲的能耗檢測(cè)儀有兩道墻。同時(shí)可以隨時(shí)觀測(cè)水、電、氣表采集的數(shù)據(jù)。7.3.2系統(tǒng)搭建系統(tǒng)搭建無(wú)線能耗監(jiān)控系統(tǒng)搭建圖 高低溫測(cè)試高低溫測(cè)試 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17215.211-2006交流電測(cè)量設(shè)備 通用要求、試驗(yàn)和試驗(yàn)條件中的條款6，需要對(duì)無(wú)線能耗檢測(cè)儀做高低溫測(cè)試。在高低溫測(cè)試中，選用的測(cè)試設(shè)備是自動(dòng)化工程實(shí)訓(xùn)中心的重慶漢巴實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司提

26、供的HUT703P濕熱試驗(yàn)箱，它的溫度選擇范圍在-70130之間，完全能夠模擬家居環(huán)境溫度對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。如下圖所示，是HUT703P試驗(yàn)箱的操作顯示界面，中文顯示，易操作，能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行高低溫測(cè)試、耐寒測(cè)試、低溫存儲(chǔ)等惡劣環(huán)境測(cè)試。7.3.3 無(wú)線能耗檢測(cè)儀系統(tǒng)驗(yàn)證與測(cè)試無(wú)線能耗檢測(cè)儀系統(tǒng)驗(yàn)證與測(cè)試高低溫測(cè)試示意圖 如下表所示的測(cè)試結(jié)果，可以得出設(shè)備在高溫50時(shí)，處于臨界工作狀態(tài)，外殼已經(jīng)有少許破損，在60已經(jīng)不能正常工作；在低溫-10時(shí)，設(shè)備的抓包率出現(xiàn)明顯的降低，達(dá)到-20時(shí)，雖然還能抓到數(shù)據(jù)包，但設(shè)備液晶已經(jīng)不能正常顯示。所以，無(wú)線能耗檢測(cè)儀的正常工作溫度范圍為-1050

27、，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17215.211-2006交流電測(cè)量設(shè)備 通用要求、試驗(yàn)和試驗(yàn)條件條款6所規(guī)定的戶內(nèi)用儀表工作溫度范圍-545的要求。第一次（1小時(shí)）第二次（1小時(shí)）第三次（1小時(shí)）第四次（1小時(shí)）高溫設(shè)定值30405060數(shù)據(jù)抓包率98%83%75%21%損壞程度無(wú)損壞無(wú)損壞外殼有融化液晶不顯示低溫設(shè)定值0-5-10-20數(shù)據(jù)抓包率92%84%69%41%損壞程度無(wú)損壞無(wú)損壞無(wú)損壞液晶不正常 電能檢測(cè)設(shè)備的EMC測(cè)試主要體現(xiàn)在抗擾度測(cè)試上，因?yàn)榘惭b在電網(wǎng)終端的電能檢測(cè)設(shè)備，在其運(yùn)行使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)遭受到公共電網(wǎng)上各種電磁騷擾。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17215.211-2006交流電

28、測(cè)量設(shè)備 通用要求、試驗(yàn)和試驗(yàn)條件中條款7.5提出的電磁兼容測(cè)試項(xiàng)目以及結(jié)合重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院制造技術(shù)與工程實(shí)訓(xùn)中心的電磁兼容設(shè)備條件，需要對(duì)無(wú)線能耗檢測(cè)儀進(jìn)行射頻電磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可靠性。下圖為電磁場(chǎng)輻射抗擾度測(cè)試環(huán)境。電磁兼容測(cè)試電磁兼容測(cè)試 電磁場(chǎng)輻射抗擾度測(cè)試環(huán)境 無(wú) 線 能 耗 檢測(cè)儀作為智能家庭能耗監(jiān)控系統(tǒng)中的能耗采集節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其自身功耗測(cè)試也是很重要的。如果設(shè)備自身功耗很大，那么在實(shí)際的電器測(cè)量中，就會(huì)為用戶帶來(lái)額外的電量，從而提高用戶的用電量，不利于節(jié)能減排。無(wú)線能耗檢測(cè)儀內(nèi)部采用的ATmage64，CC2430，ADE7755以及液晶LCD12864都是低功耗芯片模

29、塊，在設(shè)計(jì)時(shí)遵照產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則，采用的元器件都具有體積小、低熱量、低功耗等特點(diǎn)。如圖7-26所示，無(wú)線能耗檢測(cè)儀在不接負(fù)載下，通過(guò)數(shù)字電壓源提供給系統(tǒng)穩(wěn)定電源的同時(shí)，可以測(cè)出其工作電流，從而測(cè)得其功耗值。下圖為設(shè)備功耗測(cè)試示意圖。設(shè)備自身?yè)p耗測(cè)試設(shè)備自身?yè)p耗測(cè)試設(shè)備功耗測(cè)試示意圖 在家居環(huán)境中，對(duì)于無(wú)線設(shè)備的通信距離的測(cè)試，可以讓用戶在進(jìn)行家居裝修時(shí)，對(duì)設(shè)備的放置位置有進(jìn)行設(shè)計(jì)。在無(wú)線通信中，通信距離主要影響因素有無(wú)線模塊發(fā)射功率、傳播損耗、工作頻率、接受靈敏度等性能。在本產(chǎn)品測(cè)試中，主要針對(duì)無(wú)線能耗檢測(cè)儀在有天線增益和無(wú)天線增益的情況下，由于無(wú)線能耗檢測(cè)儀每一分鐘會(huì)定時(shí)發(fā)出無(wú)線能耗數(shù)據(jù)，所以只

30、要在一小時(shí)內(nèi)通過(guò)CC2430抓包器來(lái)獲取無(wú)線能耗數(shù)據(jù)抓包率，通過(guò)結(jié)果對(duì)比，得到無(wú)線通信距離測(cè)試結(jié)果。測(cè)試示意圖如下圖所示。 通信距離測(cè)試通信距離測(cè)試通信距離測(cè)試示意圖 在復(fù)雜的家居環(huán)境中，無(wú)線設(shè)備的放置與無(wú)線路由之間可能存在一道墻、兩道墻、多道墻或者其他障礙的情況，為了防止障礙物對(duì)能耗數(shù)據(jù)的接收，所以對(duì)其射頻穿透性的測(cè)試尤為重要。從系統(tǒng)的搭建圖中可知，客廳、臥室、廚房的無(wú)線能耗檢測(cè)儀與無(wú)線路由之間分別有0道墻、1道墻、2道墻(墻厚20cm)，同時(shí)三個(gè)設(shè)備到無(wú)線路由的距離都在5米左右，所以同樣通過(guò)定時(shí)1小時(shí)，在無(wú)線路由的位置通過(guò)抓包器進(jìn)行數(shù)據(jù)抓取來(lái)獲得抓包率，通過(guò)結(jié)果分析得到設(shè)備的射頻穿透性。射

31、頻穿透性測(cè)試示意圖如下圖。射頻穿透性測(cè)試射頻穿透性測(cè)試射頻穿透性測(cè)試示意圖 上行能耗數(shù)據(jù)的接收測(cè)試，主要針對(duì)底層能耗數(shù)據(jù)采集顯示的實(shí)時(shí)性來(lái)測(cè)試系統(tǒng)功能的實(shí)時(shí)性，通過(guò)本地室內(nèi)機(jī)、遠(yuǎn)程網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)、平板四種監(jiān)控終端來(lái)測(cè)試能耗數(shù)據(jù)從局域無(wú)線網(wǎng)發(fā)送到局域以太網(wǎng)，再發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)性。 從系統(tǒng)的搭建圖中，主要針對(duì)客廳的電視、臥室的電熱水壺以及廚房的電飯煲進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于無(wú)線能耗檢測(cè)儀定時(shí)1分鐘會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且電器的功率是在不停的變化，所以每種終端每隔一分鐘觀察數(shù)據(jù)是否有變化，則能判斷網(wǎng)絡(luò)能耗數(shù)據(jù)是否采集成功。右圖是終端上行數(shù)據(jù)接收采集示意圖。上行能耗數(shù)據(jù)接收測(cè)試上行能耗數(shù)據(jù)接收測(cè)試 室內(nèi)機(jī)、電腦、平板

32、電腦及3G手機(jī)上行數(shù)據(jù)采集圖 在平板電腦、手機(jī)以及遠(yuǎn)程網(wǎng)頁(yè)三種終端上都有控制按鈕，只要點(diǎn)擊按鈕，控制命令就會(huì)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到本地服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)把控制命令發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)處理后發(fā)送給無(wú)線路由，無(wú)線路由接收到來(lái)自家庭網(wǎng)關(guān)的控制命令后發(fā)送給底層的無(wú)線能耗檢測(cè)儀進(jìn)行解析執(zhí)行操作。所以在對(duì)能耗監(jiān)控系統(tǒng)的下行數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)，只要通過(guò)測(cè)試各種終端控制命令對(duì)設(shè)備控制的成功率，就能得到能耗監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下行數(shù)據(jù)功能的測(cè)試情況。 從下表可知，下行數(shù)據(jù)的成功率和發(fā)送命令的終端的網(wǎng)絡(luò)接入方式有很大的關(guān)系，從有線寬帶、WIFI到手機(jī)3G網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)帶寬和性能的降低直接影響系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下行命令發(fā)送的成功率，所以在保持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)

33、定的情況下，整個(gè)系統(tǒng)就能正常的運(yùn)行。下行控制命令發(fā)送測(cè)試下行控制命令發(fā)送測(cè)試終端設(shè)備開(kāi)命令成功次數(shù)/總次數(shù)網(wǎng)絡(luò)下行成功率關(guān)命令成功次數(shù)/總次數(shù)網(wǎng)絡(luò)下行成功率遠(yuǎn)程網(wǎng)頁(yè)（有線寬帶）19/2095%18/2090%平板電腦（WIFI）17/2085%17/2085%手機(jī)（網(wǎng)絡(luò)）15/2075%14/2070%高低溫測(cè)試高低溫測(cè)試 三表集抄器的工作環(huán)境處在每層樓的樓道中，溫度的變化可能會(huì)影響到設(shè)備的正常工作。南方夏天可以達(dá)到40以上高溫，北方的冬天沒(méi)有暖氣供應(yīng)的情況，氣溫將低到0以下，所以對(duì)樓道中長(zhǎng)期工作的采集設(shè)備進(jìn)行高低溫測(cè)試會(huì)直接體現(xiàn)該設(shè)備的實(shí)際使用價(jià)值。設(shè)備正常運(yùn)行的氣候環(huán)境條件見(jiàn)下表。7.3.

34、4智能三表系統(tǒng)驗(yàn)證與測(cè)試智能三表系統(tǒng)驗(yàn)證與測(cè)試場(chǎng)所類(lèi)型級(jí)別空氣溫度范 圍 最大變化率a/m遮 蔽C1-5+450.5C2-25+550.5戶 外C3-40+701 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.1-2001電工電子產(chǎn)品的基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范第2部分: 試驗(yàn)方法試驗(yàn)A: 低溫/試驗(yàn)B: 高溫，對(duì)智能三表集抄器做高低溫測(cè)試。測(cè)試中，采用自動(dòng)化工程實(shí)訓(xùn)中心的重慶漢巴實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司提供的HUT703P濕熱試驗(yàn)箱作為本次測(cè)試設(shè)備，它的溫度選擇范圍在-70130之間，完全能夠模擬樓棟樓層的溫度對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。將被設(shè)備在非通電狀態(tài)下放入高溫試驗(yàn)箱中央，升溫至規(guī)定的45、55、70，在每個(gè)溫度短停留15分鐘，

35、然后取出設(shè)備通電，觀察設(shè)備外觀是否有損壞，設(shè)備能否正常工作。將被設(shè)備在非通電狀態(tài)下放入高溫試驗(yàn)箱中央，降溫至規(guī)定的-5、-10、-25，在每個(gè)溫度短停留15分鐘，然后取出設(shè)備通電，觀察設(shè)備外觀是否有損壞，設(shè)備能否正常工作。測(cè)試結(jié)果如下表所示，設(shè)備正常工作溫度范圍為-2555的溫度范圍中正常工作，符合標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的遮蔽環(huán)境下采集器的工作溫度范圍的要求。第一次（15分鐘）第二次（15分鐘）第三次（分鐘）高溫設(shè)定值455570正常收發(fā)數(shù)據(jù)是是否損壞程度無(wú)損壞無(wú)損壞LCD不顯示低溫設(shè)定值-5-10-25正常收發(fā)數(shù)據(jù)是是否損壞程度無(wú)損壞無(wú)損壞LCD不正常 1)射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度測(cè)試 三表集采器工作所處的樓道環(huán)境，無(wú)法避免設(shè)備操作、維修和安全檢查人員在使用移動(dòng)電話時(shí)所產(chǎn)生的，以及無(wú)線電臺(tái)、電視發(fā)射臺(tái)、移動(dòng)無(wú)線電發(fā)射機(jī)和各種工業(yè)電磁輻射源等射頻電磁場(chǎng)輻射的影響。電磁輻射對(duì)電