CN104635713B - 一种电能计量系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电能计量系统，包括微控制器、负载主控板和Zigbee通信单元以及家庭网关，所述微控制器与所述负载主控板和Zigbee通信单元相连，用于获取并存储与所述负载主控板所匹配的负载的用电信息、获取所述Zigbee通信单元发送的控制指令，依据所述控制指令通过所述控制命令所匹配的负载主控板控制负载的工作状态；所述家庭网关，用于依据获取到的用户发送的控制信号，生成并通过所述Zigbee通信单元向所述微控制器发送与所述控制信号相匹配的控制指令。因此用户可以依据所述微控制器中所存储的负载设备的用电信息获取在一段时间内每个负载设备的详细用电数据。

Description

一种电能计量系统

技术领域

本申请涉及电力信息检测与控制技术领域，更具体地说，涉及一种电能计量系统。

背景技术

随着物联网时代的到来，智能家居行业也迎来前所未有发展机遇。众多互联网厂商、家电厂商风起云涌般加入到智能家居行业，纷纷推出品类丰富的智能家电，抢占更多的智能家居市场份额。

目前现有的电能计量模块绝大部分是用于电表等计量设备，虽然用户能够通过电表等设备获得家用电器总的用电信息，但是用户却无法获取具体的每个大功率家电设备的单独的用电情况。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种电能计量系统，用于解决现有技术中用户无法获取每个大功率家电设备的单独用电情况的问题。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种电能计量系统，包括：

微控制器、负载主控板、Zigbee通信单元以及家庭网关；

所述微控制器分别与所述负载主控板和Zigbee通信单元相连，用于获取并存储与所述负载主控板所匹配的负载的用电信息、获取所述Zigbee通信单元发送的控制指令，依据所述控制指令通过所述控制命令所匹配的负载主控板控制负载的工作状态；

所述家庭网关，用于依据获取到的用户发送的控制信号，生成并通过所述Zigbee通信单元向所述微控制器发送控制指令。

优选的，上述电能计量系统中，所述微控制器包括：

解析单元，用于对获取到的控制指令进行解析，获取所述控制指令所述对应的负载主控板的地址信息和开关量信息。

优选的，上述电能计量系统中，所述用电信息包括：

负载的电压、电流、功率、功率因数和电量信息。

优选的，上述电能计量系统中，所述微控制器包括：

计算单元，用于依据获取到的负载的用电信息计算并存储预设时间段内负载的平均功率和平均用电量。

优选的，上述电能计量系统中，所述微控制器还包括：

加密器，用于采用预设方式对存储数据进行加密。

优选的，上述电能计量系统中，还包括：

输入端与电网相连、输出端与所述微控制器相连的掉电检测电路，用于当电网断电时，向所述微控制器发送掉电信号。

优选的，上述电能计量系统中，所述微控制器还包括：

闪存器，用于当获取到掉电信号时存储当前获取到的用电信息。

优选的，上述电能计量系统中，还包括：

与所述微控制器相连的用电信息采集单元，用于采集并存储用户总的用电信息。

优选的，上述电能计量系统中，还包括：

无线遥控设备，用于向所述Zigbee通信单元发送控制信号。

优选的，上述电能计量系统中，所述微控制器在获取到所述负载的用电信息后的工作过程还包括：

依据所述负载的用电信息确定并存储用电负载的运行状态和当前运行状态所对应的时间信息。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开的电能计量系统可知，所述电能计量系统中的微控制器可通过负载主控板获取并存储每一负载的用电信息，用户可以依据所述微控制器中所存储的负载设备的用电信息获取在一段时间内每个负载设备的详细用电数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的电能计量系统的结构图；

图2为本申请另一实施例公开的电能计量系统的结构图；

图3为本申请实施例公开的掉电检测电路的结构图；

图4为本申请实施例中为用电信息采集单元中的电流、电压转换电路的结构图；

图5为本申请实施例公开的用电信息采集单元中的CS5463芯片及其外围电路的结构图；

图6为本申请实施例公开的第一电源电路的电路原理图；

图7为本申请实施例公开的第二电源电路的电路原理图。

具体实施方式

为了解决用户只能通过现有技术中的电表等计量设备获取每月总的用电信息，而不能查看特定的用电设备的用电信息的问题，本申请公开了一种电能计量系统。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本申请实施例公开的电能计量系统包括：

微控制器1、负载主控板2和Zigbee通信单元3以及家庭网关4；

所述微控制器1与所述Zigbee通信单元3和所述负载主控板2相连，用于获取并存储与所述负载主控板2所匹配的负载的用电信息、获取所述Zigbee通信单元3发送的控制指令，并依据所述控制指令通过与所述控制命令所匹配的负载主控板2控制负载的工作状态；

所述家庭网关4通过无线路由器与所述Zigbee通信单元相连，用于依据获取到的用户发送的控制信号，生成并通过所述Zigbee通信单元3向所述微控制器1发生与所述控制信号相匹配的控制指令，所述Zigbee通信单元为具有Zigbee功能的无线通信设备，所述Zigbee为一种基于IEEE802.15.4标准的无线传输技术，可满足远程监视、控制和传感器网络应用等需求。

通过本申请上述实施例公开的技术方案可知，所述微控制器可通过获取并存储每一负载的用电信息，用户可以依据所述微控制器中所存储的负载设备的用电信息获取在一段时间内该负载设备的详细用电数据。

可以理解的是，本申请上述实施例中，所述微控制器1与所述负载主控板2之间可以通过数据接口直接相连，当然为了方便数据传递，两者之间也可以通过所述Zigbee通信单元3进行数据交互。

可以理解的是，在采用所述Zigbee通信单元实现所述微控制器与负载主控板之间的数据交互时，所述Zigbee通信单元还可依据由所述负载主控板获取到的负载设备的用电信息，向所述微控制器反馈负载设备被控制后的状态和负载当前的用电信息，当然，若所述负载出现故障时，也可通过所述Zigbee通信单元主动上报负载的异常状态，以确保用户能够及时发现和处理故障设备，可以理解的是，为了保证所述Zigbee通信单元的可靠性，所述Zigbee通信单元使用的射频芯片可以为TI公司的型号为CC2500的射频芯片。

可以理解的是，在日常生活中用户通过负载主控板控制负载的运行状态，且每一负载均对应一负载主控板，因此，本申请公开的技术方案中的所述微控制器可通过所述负载主控板获取所述负载的用电信息，将获取到的用电信息依据预设方式处理后存储至存储器中，用户即可通过对所述存储器中的数据进行读取，从而获取每个负载设备的用电信息，可以理解的是，用户可以根据自身需求选择预设的处理程序对所述获取到的负载的用电信息进行处理，例如可通过预设的处理程序对所述负载的用电信息进行处理，计算得到负载的电压、电流、功率和功率因数等，因此上述微控制器中还可以包括一计算单元，用于依据采用预设程序和获取到的负载的用电信息计算并存储所述负载在预设时间段内的平均功率和平均用电量等，其中所述预设时间可以根据用户的需求自行设定，例如：1分钟、1小时等。

可以理解的是，为了方便用户查看存储的数据信息，所述微控制器若要自动存储负载设备一月的用电数据时，则需要同时存储与当前数据所匹配的时钟信息。所述时钟信息可以是通过单片机的定时器模拟产生的，即通过单片机的预设程序实现的“软时钟”，“软时钟”包含的时间信息可以有年、月、日、时、分、秒。采用“软时钟”方式省去了时钟芯片，即简化了电路又降低了成本。时钟信号的起点，可以是在负载刚上电时，微控制器可以通过Zigbee通信单元从家庭网关或负载主控板获得时钟信号。因为单片机模拟的“软时钟”和时钟芯片相比，精度上有一定差距，因此为了避免长时间运行后，所述时钟信号和真实时间偏移过大，每隔一定的周期，所述微控制器需要每隔预设时间段对所述时钟信号进行一次校对。

当所述电能计量系统在上电时，所述微控制器可通过所述负载主控板获取当前时钟信号，从而可以根据获取到的时钟信号自动存储该负载设备最近一个月的功率、电量信息以及家电的状态信息，当然也可以通过网络设备获取当前时钟信号。当所述电能计量系统工作后，所述负载主控板可通过标准接口获取负载设备的用电信息，并将获取到的用电信息发送至所述微控制器。

当然，可以理解的是，为了方便用户对负载设备进行远程控制，使得用户无需在所述设备现场的情况下也可对所述负载的工作状态进行控制，上述电能计量系统中的Zigbee通信单元和可以与家庭网关相连，所述家庭网关为信息时代带给人们的又一个高科技产物，它借助现有的计算机网络技术，将家庭内各种家电和设备连网，通过网络为人们提供各种丰富、多样化、个性化、方便、舒适、安全和高效的服务。当用户需要远程控制负载设备时，可通过无线网络向所述Zigbee通信单元发送相应的控制信号，然后再通过所述微控制器和负载主控板控制所述负载的工作状态。因此所述微控制器还可以包括一解析单元，所述微控制器获取到所述Zigbee通信单元发送的控制指令后，通过所述解析单元对所述控制指令进行解析，确定所述控制指令对应的控制对象(所述控制指令所对应的负载主控板)和所述控制指令对应的动作信息，并将该动作信息发送至与所述控制指令所匹配的负载主控板，所述负载主控板依据所述动作信息对负载的工作状态进行控制，所述动作信息包括：负载的开启、关闭以及负载的工作模式的切换等。

可以理解的是，与所述微控制器相连的负载控制板的数量可以根据用户需求自定设定，且每一负载均对应位移地址信息，当所述微控制器获取到所述Zigbee通信单元转发的控制指令后，对所述控制指令进行解析即可获取所述负载的地址信息。

当然可以理解的是，为了方便用户获取存储的负载的用电信息以及能够存储更多的负载的用电信息，本申请上述实施例中还可以包括一存储单元，所述存储单元用于存储所述用电信息以及所述微控制器对所述用电信息处理得到的数据信息，所述存储单元的类型可以根据用户的需求自行选择，例如，本申请上述实施例中的存储单元可以为型号为AT24C64的存储单元，当然可以理解的是，为了使得用户能够更加方便的读取所述存储单元中的数据内容，上述电能计量系统还可以包括一触控屏，用于选择/读取所述存储单元中的存储数据。

可以理解的是，为了提高用户用电信息的安全性，所述微控制器还可以包括一加密器，用于在所述微控制器存储数据时，采用预设方式对所存储的数据进行加密，其中，在对所需存储的数据进行存储时，可以选用预设的密码进行加密，以防止用户的用电信息被恶意泄露。

可以理解的是，为了防止意外断电而造成数据流失的情况发生，本申请上述实施例中的所述电能计量系统还可以包括一掉电检测电路，所述掉电检测电路的输入端与电网相连、输出端与所述微控制器相连，用于判断电网的运行状态，当电网断电时，向所述微控制器发送一掉电信号。当然可以理解的是，所述微控制器中对应设置有一闪存器，用于在获取到所述掉电信号后立即存储且当前数据处理。所述掉电检测电路的具体结构可以为现有技术中任意一实施例公开的掉电检测电路，只要能够保证其在电网断电时能够向所述微控制器发送掉电信号即可，为了方便对所述掉电检测电路进行说明，参见图2和图3本申请公开的掉电检测电路5可以包括前端电路501和后端电路503，所述前端电路501用于将电网的220V交流电转换成为低压方波信号，参见图1，所述前端电路501包括：二极管的阴极与电网相连阳极通过电阻R1接地的光耦器ISO2，所述光耦器ISO2的MOS器件的输出端接地，另一端通过电阻R2与供电电源相连，所述电阻R2与MOS器件的公共端作为所述前端电路501的输出端，输出PWR_DOWN信号，即当电网中存在电流时，光耦器件ISO2中的发光器件发光，所述MOS器件导通，所述前端电路501的供电电源通过电阻R2和光耦器接地，前端电路501输出低电平信号。参见图3，所述后端电路503由TLC555ID定时器以及其外围电路构成，所述TLC555ID定时器主要用于将获取到的PWR_DOWN信号转换为与其匹配的电平信号，当电网中存在220V交流电时，PWR_DOWN信号为低电平信号，所述TLC555ID定时器的PD_INT引脚输出高电平信号，当电网中不存在220V交流电时，即掉电的情况下，所述PWR_DOWN信号为高电平信号，所述TLC555ID定时器的PD_INT引脚输出信号变为低电平；由此，在掉电时，PD_INT引脚将产生一个下降沿中断信号给所述微控制器，所述微控制器利用此中断信号即可进行掉电保护处理。

可以理解的是，所述电能计量系统除了可以对用户家庭中每一负载设备的用电信息进行存储之外，还可对用户总的用电信息进行计量，因此本申请上述实施例中的所述电能计量系统还可以包括一用电信息采集单元，所述用电信息采集单元用于采集并存储用户总的用电信息，对用户总的用电量进行计量，可以理解的是，现有技术中对用户总的用电信息进行采集和计量的设备多种多样，本申请上述实施例中的用电信息采集单元可以为现有技术中任意一种类型的电能计量设备，为了降低所述用电信息采集单元的成本、提高计量精度，所述用电信息采集单元在采集电流时可选择采用锰铜采样电阻，该方式相较于传统的电流互感器采集方式而言，能够有效解决电流互感器容易出现饱和的问题，当然，还可以在所述用电信息采集单元的计量芯片的小信号采集电路处增加滤波和干扰抑制元件，以进一步保证计量精度和计量电路的稳定性。所述信息采集单元的计量芯片可以采用CirrusLogic公司的CS5463计量芯片来搭建。所述CS5463芯片可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。所述用电信息采集单元的电压测量采用分压电阻来实现，如图4所示，电网220V的高压依次经过分压电阻R3-R8分压，在电阻R9两侧得到毫伏级的低压交流小信号，将该信号送入CS5463芯片的电压采集通道VIN-和VIN+。用电信息采集单元的电流测量使用锰铜电阻来实现，如图4所示，电网大电流经过锰铜电阻R10，在电阻R10两侧得到的mV级的低压小信号，将该信号送入CS5463芯片的前端电电流采集通道IIN-和IIN+。如图5所示，所述CS5463芯片的电压通道和电流通道以及外围电路将交流小信号发送至所述CS5463芯片内部，且为了使得两个通道的输入信号在一定电压范围内可控，还可在所述电压和电流通道设置保护二极管。并且所述电流通道处还可设置有滤波电感和压敏电阻，以增强两个通道之间的抗干扰能力和保证数据采集的精准性。

可以理解的是，为了方便用户对所述负载的工作状态进行控制，本申请上述实施例中的电能计量系统还可以包括一无线遥控设备，所述无线遥控设备用于向所述Zigbee通信单元发送控制信号，可以理解的是，所述无线遥控设备可以为直接通过红外信号向所述Zigbee通信单元发送控制信号的控制设备，当然也可以为通过无线网络和所述家庭网关向所述Zigbee通信单元发送控制信号的移动终端设备。

可以理解的是，为了方便用户查看每月负载设备的运行规律，以合理安排作息时间，本申请上述实施例中的所述电能计量系统中，所述微控制器在获取到所述负载的用电信息后的工作过程还可以包括：依据所述负载的用电信息获取并存储负载的运行状态，以及依据时钟信号存储负载当前运行状态所对应的时间信息，其中负载当前运行状态对应的时间信息可以包括：当前状态的启动时间，以及当前状态的运行时间长度等信息。

可以理解的是，所述为了节约资源、提高电源的转换效率、降低模块的总体功耗，所述电能计量系统的电源可以采用NCP1015非隔离方案进行设计。其中所述电能计量系统的电源可以包括串联的第一电源电路和第二电源电路，所述第一电源电路和第二电源电路均采用开关电源方案进行设计，所述第一电源电路的输入端与电网相连输出端与所述用电信息采集单元的中的计量芯片相连，所述第一电源电路可采用NCP1015非隔离方案设置，其可采用动态自供电(DSS)技术，因此NCP1015芯片的工作电压可直接由漏极吸取，因此相较于传统的技术方案省去了辅助线圈，简化了电路，减少了变压器所占的体积，同时也降低了生产成本，所述第一电源电路的输出电压可以根据用户需求自行设定，例如所述第一电源电路的输出电压可以为5VDC，即所述第一电源电路为220VAC-5VDC的转换电路，所述第二电源电路用于向所述计量芯片和所述微控制器提供工作电压，其可以为5VDC-3V3DC的电压转换电路，该第二电源电路的核心器件可采用TI公司的DC/DC开关电源芯片TPS5401，相较于常规的降压LDO而言，转换效率高。所述第一电源电路的电路原理图可以为图6所示，所述第二电源电路的电路原理图可以为图7所示。

为了进一步保证设备的安全性，减少电能计量系统对负载主控板的影响、保证负载设备运行的稳定性、增强设备的抗干扰性和安全性，本申请上述实施例中所述微控制器与所述负载主控板之间可使用隔离的通信接口，例如可以为SPI接口或UART接口。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种电能计量系统，其特征在于，包括：

微控制器、负载主控板、Zigbee通信单元以及家庭网关；

所述微控制器分别与所述负载主控板和Zigbee通信单元相连，用于获取并存储与所述负载主控板所匹配的负载的用电信息、获取所述Zigbee通信单元发送的控制指令，依据所述控制指令控制所述控制命令所匹配的负载主控板控制负载的工作状态，微控制器中设置有一闪存器，当获取到掉电信号时存储当前获取到的用电信息；

所述家庭网关，用于依据获取到的用户发送的控制信号，生成并通过所述Zigbee通信单元向所述微控制器发送控制指令；

输入端与电网相连、输出端与所述微控制器相连的掉电检测电路，用于当电网断电时，向所述微控制器发送掉电信号；

所述掉电检测电路包括：前端电路和后端电路；

所述前端电路用于将电网的220V交流电转换成为低压方波信号，所述前端电路包括：二极管的阴极与电网相连、阳极通过第一电阻R1接地的光耦器ISO2，所述光耦器ISO2的MOS器件的输出端接地，MOS器件的另一端通过第二电阻R2与供电电源相连，所述第二电阻R2与MOS器件的公共端作为所述前端电路的输出端，输出PWR_DOWN信号，即当电网中存在电流时，光耦器件ISO2中的发光器件发光，所述MOS器件导通，所述前端电路的供电电源通过第二电阻R2和光耦器接地，前端电路输出低电平信号；

所述后端电路由TLC555ID定时器以及其外围电路构成，所述TLC555ID定时器主要用于将获取到的PWR_DOWN信号转换为与其匹配的电平信号，当电网中存在220V交流电时，PWR_DOWN信号为低电平信号，所述TLC555ID定时器的PD_INT引脚输出高电平信号，当电网中不存在交流电时，所述PWR_DOWN信号为高电平信号，所述TLC555ID定时器的PD_INT引脚输出信号变为低电平；在掉电时，PD_INT引脚将产生一个下降沿中断信号给所述微控制器，所述微控制器利用所述断信号进行掉电保护处理；

所述微控制器在获取到所述负载的用电信息后的工作过程还包括：

依据所述负载的用电信息确定并存储用电负载的运行状态和当前运行状态所对应的时间信息，负载当前运行状态对应的时间信息包括：当前状态的启动时间，以及当前状态的运行时间长度。

2.根据权利要求1所述的电能计量系统，其特征在于，所述微控制器包括：

解析单元，用于对获取到的控制指令进行解析，获取所述控制指令对应的负载主控板的地址信息和开关量信息。

3.根据权利要求1所述的电能计量系统，其特征在于，所述用电信息包括：

负载的电压、电流、功率、功率因数和电量信息。

4.根据权利要求1所述的电能计量系统，其特征在于，所述微控制器包括：

计算单元，用于依据获取到的负载的用电信息计算并存储预设时间段内负载的平均功率和平均用电量。

5.根据权利要求1所述的电能计量系统，其特征在于，所述微控制器还包括：

加密器，用于采用预设方式对存储数据进行加密。

6.根据权利要求1所述的电能计量系统，其特征在于，还包括：

与所述微控制器相连的用电信息采集单元，用于采集并存储用户总的用电信息。

7.根据权利要求1所述的电能计量系统，其特征在于，还包括：

无线遥控设备，用于向所述Zigbee通信单元发送控制信号。