智能家居用电控制器及控制方法与流程

本发明涉及电力应用技术领域，特别是涉及一种智能家居用电控制器及控制方法。

背景技术：

配电网的发展趋势是主动配电网，主动配电网智能设备研发方向和发展方向为：采用更加灵活、可靠、先进、经济的保护、通信和控制终端技术提高配电网全面的可观测性、可调、可控性。研究智能配电网控制理论和方法，开发高级应用软件、系列智能终端产品，实现配网自愈；研究应用电力电子技术，实现电能质量控制、降低损耗，实现电能的灵活分配，全面提高配电网的运行水平。

目前市场上绝大多数家居智能控制器只具备极少的智能性，比如具备定时开、关灯功能，无法对非正常状况进行监测与断电控制，不具备真正的智能功能，并且价格很昂贵。现有的家用电器插座已经不能适应各方面的需要，尤其是在基于主动配电网的智能家居系统中，需要功能新颖的智能控制器，其潜在的市场需求很大。

技术实现要素：

基于此，本申请提出一种智能家居用电控制器及控制方法，其能智能对家居用电进行控制。

一种智能家居用电控制器，包括对家居的用电设备用电数据进行采集与处理的电能参数采集与调整电路，对电能参数采集与调理电路获得的数据进行处理和对电能参数采集与调理电路进行控制的CPU系统控制模块，与CPU系统控制模块相连的通信模块和外部接口电路，及为所述智能家居用电控制器提供工作所需电力的电源驱动控制电路；所述CPU系统控制模块接收通信模块传来的控制指令后控制电能参数采集与调理电路对外部的用电设备的电路参数进行采 集或对外部的用电设备的工作进行控制，并将采集到的数据或者控制结果通过通信模块反馈出去，外部接口电路可与外部设备相连实现对智能家居用电器的调试与控制。

在其中一个实施例中，所述智能家居用电控制器还包括与CPU系统控制模块相连的显示模块，所述显示模块对智能家居用电控制器采集处理的数据和控制信息进行显示。

在其中一个实施例中，所述CPU系统控制模块包括型号为ATT7035的芯片。

在其中一个实施例中，所述电能参数采集与调整电路包括对电流进行采集与调整的电流参数采集与调整电路和对电压进行采集与调整的电压参数采集与调整电路。

在其中一个实施例中，所述通信模块采用ZigBee无线通讯技术与外部进行数据交换。

在其中一个实施例中，所述型号为ATT7035芯片对获得的电能数据进行处理获得的信息包括有功功率、有功电能、无功功率、无功电能、视在功率、视在电能、电压有效值、电流有效值及频率。

在其中一个实施例中，所述智能家居用电控制器获得的有功功率的折算公式：(单位：W)，

其中，P_reg为从型号为ATT7035的芯片的功率寄存器PowerP读取的功率值，EC为智能控制器的脉冲常数，HFConst为型号为ATT7035的芯片的HFConst寄存器的输出脉冲个数；

无功功率折算公式为：(单位：Var)，

其中，Q_reg为从型号为ATT7035的芯片的功率寄存器PowerQ读取的功率值，EC为智能控制器的脉冲常数，HFConst为型号为ATT7035的芯片的HFConst寄存器的输出脉冲个数。

在其中一个实施例中，所述电源驱动控制电路包括对市电进行降压的变压 器和对降压后的市电进行整流的整流二极管。

在其中一个实施例中，所述智能家居用电控制器还包括对电能参数进行分析处理以判断是否出现窃电并进行判断结果输出的防窃电模块。

一种智能家居用电控制方法，包括以下步骤：

采集与用电设备相连的市电的电能参数；

根据采集到的电能参数计算用电数据；

对计算出的用电数据进行显示；

判断是否接收到信号交换信息，若接收到信号交换信息，则进行信号交换，否则返回对计算出的用电数据进行显示的步骤；

根据交换得到的信号数据决定进行用电数据的交换或者对用电设备的开关进行控制。

上述智能家居用电控制器及控制方法能够实现对用电设备开关的控制及将用电设备的用电数据计算出来并进行显示或者发送给其它设备。其具有控制用电设备工作方便，能够实时获得用电数据的优点。

附图说明

图1为一个实施例的智能家居用电控制器的硬件结构图；

图2为一个实施例的智能家居用电控制器的详细硬件结构图；

图3为一个实施例的智能家居用电控制器的电源驱动模块电路原理图；

图4为一个实施例的智能家居用电控制器的功率计算和补偿流程图；

图5为一个实施例的智能家居用电控制器的电压电流有效值计算流程图；

图6为一个实施例的智能家居用电控制器的自动防窃电原理图；

图7为一个实施例的智能家居用电控制方法流程图。

具体实施方式

请参考图1，本发明的一个实施方式提供一种智能家居用电控制器。该智能 家居用电控制器包括对家居的用电设备用电数据进行采集与处理的电能参数采集与调整电路110，对电能参数采集与调理电路110获得的数据进行处理和对电能参数采集与调理电路110进行控制的CPU系统控制模块120，与CPU系统控制模块120相连的通信模块130和外部接口电路160，及为智能家居用电控制器提供工作所需电力的电源驱动控制电路150。其中，CPU系统控制模块120接收通信模块130传来的控制指令后控制电能参数采集与调理电路110对外部的用设备的电路参数进行采集或对外部的用电设备的工作进行控制，并将采集到的数据或者控制结果通过通信模块130反馈出去，外部接口电路160可与外部设备相连实现对智能家居用电器的调试与控制。

请参考图2，该智能家居用电控制器还包括与CPU系统控制模块120相连的显示模块(此次为LCD液晶显示模块140)和与CPU系统控制模块120相连的对CPU系统控制模块120进行复位的复位电路170。LCD液晶显示模块140对智能家居用电控制器采集处理的数据和控制信息进行显示。电能参数采集与调理电路110包括电流参数采集与调理电路112和电压参数采集与调理电路114。通信模块130包括RS485收发器132和与外部进行无线通讯的ZigBee通讯模块134。外部接口电路160包括进行信息输入的键盘162，对用电设备200的开关进行控制的开关电路164，为CPU系统控制模块120提供时钟频率的时钟模块166，产生声音的蜂鸣器168，及方便对CPU系统控制模块120进行调试的调试接口169。CPU系统控制模块120可以通过控制开关电路164实现对家居的用电设备200的开或者关的控制。开关电路164将市电与用电设备200电性连接在一起。

该智能家居用电控制器可随时接收智能互动终端(例如手机)的指令信号来控制继电器实现自身的开启和关断。其CPU系统控制模块120在设计上选取 体积小、能耗低、外设接口丰富、处理和计算速度快的控制芯片。此次的芯片为型号为ATT7035的芯片。该芯片符合以下几点要求：

(1)合适的存储器。可充分利用控制芯片内存储空间，以便系统更加紧凑，且可有效解决接口能力、指令系统、寻址方式及功耗等问题；

(2)具备配套开发系统。可进行软件调试，使用相应的开发系统进行功能性调试扩展；

(3)体积小，成本低。芯片体积要求越小越好，集成度要高，成本尽量要低，能够在用户的承受范围之内。

该型号为ATT7035的芯片是一款具有国际领先水平的专用单相电能计量芯片。其片内集成处理器单元、单相电能计量单元、电源管理、时钟管理单元以及PLL倍频和JTAG调试等功能。由于ATT7035芯片非常适合作为智能家居控制器的开发与设计，一个芯片集成了丰富的外设接口，可以直接驱动外围相关的电路，大大减少了电路的复杂性，因此，选用ATT7035芯片作为CPU系统控制模块120的主控制芯片很合适。这样驱动电路和相关的电路设计大大简化，元器件所占体积减少，智能性更强，符合功能要求，其价格也能够被接受。

在该实施例中，CPU系统控制模块120作为所设计智能家居用电控制器的核心模块，其主要实现功能为：接收来自电能参数采集与调理电路110及相关计量单元的测量数据，进行快速正确的计算和处理，并将计算和处理结果实时发送到LCD液晶显示模块140并控制其显示，与此同时通过ZigBee通讯模块134将数据发送到与智能家居用电控制系统相信号连接的智能手机、平板等智能交互终端，并接受来自智能交互终端的指令信息。这些指令信息控制和决定当前网络内智能家电的运行状态，当家电网络中出现过压、过流、漏电、用电负荷异常等情况时，向开关电路中的继电器发出指令，自动切断当前电源，从而 达到保护的作用。

在该实施例中，ATT7035芯片作为CPU系统控制模块120的核心，其提供单相电能计量所需要的全部功能。例如，提供有功、无功、视在电能脉冲输出，并开放脉冲计数寄存器，包括有功功率与有功电能、无功功率与无功电能、视在功率与视在电能、电压有效值、电流有效值及频率计算等。支持单相两线制、单相三线制，支持灵活的防窃电方案和校表方案，窃电阈值可通过寄存器灵活设置，提供多种电能累加方式选择，支持增益误差、相位误差的软件校表，支持防潜动功能，潜动阈值可灵活设计。同时还具有直流偏置自动校正，多种能量计算模式，开放快速脉冲计数寄存器，防止上下电时丢失电能，脉冲输出PF/QF/SF脉宽可选，无功移相补偿，有功P和无功Q偏置校正等功能。

在该实施例中，ATT7035芯片集成了很多电能计量的外部电路，使得设计中电路可以尽量小型化、简单化和模块化，适合智能家居用电控制器的开发。该芯片除为CPU系统控制模块120核心控制、处理计算电能调理参数外，还配置相关的外部驱动外设，如图2中的LCD液晶显示模块140、键盘162、非易失存储器、蜂鸣器168、复位电路170等。

另外，电能参数采集与调理电路110对电能参数进行采集与调理，在整个设计的智能家居用电控制器中起到非常重要的作用。ATT7035芯片需要作为电压信号采集端的V3P和V3N引脚的输入电压必须在-700mV～+700mV之间，因此采集的电压信号要经过电阻分压后才能引入到ATT7035芯片的引脚，将大电压信号转化为小电压信号，然后再输入给专用的计量芯片，其内部具有A/D转换、数字运算放大电路，可自动完成多路电压电流有效值、功率等计算。电流信号的采集利用欧姆定律I＝U/R的原理，将电压信号转化为电流信号，RC低通滤波后将电压I(t)送至ATT7035的V1P和V1N输入口。

ZigBee通讯模块134利用无线组网技术使用射频代替线缆来传递信息，该种方式不受传输线的限制，适合家居无线组网。无线网络包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括近距离的ZigBee技术和红外技术。

本发明采用ZigBee通讯技术方案在于ZigBee技术在于其具有如下特点：低功耗、自组织多跳网络、短距离无线连接、低功耗无线传输、超大的网络容量、系统开销小、电池续航能力高等，其传输范围为100米，带宽为250Kbps，传输媒介为2.4GHz射频。

在该实施例中，本发明通讯方案中通过UART接口及外接RS485收发器与ZigBee通讯模块134进行串口通信，获取ZigBee通讯模块134从互动交互终端接收的控制命令并执行，将响应信息通过ZigBee通讯模块134以无线方式返回给家居智能系统中的互动终端。

该实施例中，电源驱动控制电路150将市电(220V的交流电)进行AC-DC(交流-直流)变换，输出电路系统中需要的直流电压。本发明的智能家居用电控制器用到的工作电压有+5V和+3.3V两种。其中前者为图2所示实施例中的电能参数采集与调理模块110、时钟模块166、LCD液晶显示模块140提供电源，后者为CPU系统控制模块120、ZigBee通讯模块134等提供电源。目前工业上常见的交流电转低压直流电的技术方案主要有三种：开关电源模块方案，阻容降压方案和变压器降压整流滤波方案。其中开关电源方案的优点是体积小、效率高、自身抗干扰能力强，但是输出的电源是非隔离的，不安全，不能用于大功率负载，抗电网浪涌能力差；阻容降压方案是利用电容在交流电中容抗来限制电流的原理，简单地利用电阻保护的方法，该方法成本较低，受电压波动影响较大；采用第三种变压器降压整流滤波方案的优点是安全、稳定，但是体积较大。

因此在该实施例中，选用先通过变压器(变比为220∶9)降压再整流(由四个二级管组成的桥式整流电路)滤波的方案来设计电源驱动模块。

如下图3所示为本实施例的智能家居用电控制器的电源驱动控制电路110的电路原理图。在该实施例中，220V交流市电经过变压器降压之后变成9V交流电压，然后经过桥式整流电路(D1～D4)整流、电容(C2)滤波，通过LM7805电源芯片输出+5V直流电压，然后再经过电容(C3/C4)滤波后经电源芯片LM1117L3并再次经电容(C5/C1)滤波最后输出稳定的+3.3V直流电。整个电源驱动模块的电路原理图设计如图3所示。

参考图4，图4为一个实施例的智能家居用电控制器的功率计算和补偿流程图。该实施例为功率及有效值(RMS)计算流程图，现根据图4就功率及有效值(RMS)折算过程介绍如下。

在该实施例中，在ATT7035芯片内部提供有功功率、无功功率和视在功率输出寄存器。功率、有效值的显示可以直接乘上相应的系数Kx即可，为了检验Kx是否正确，可以使用如下的参照近似折算公式：

有功功率折算公式：(单位：W) (1)

其中，P_reg为从功率寄存器PowerP读取的功率值；EC为智能控制器的脉冲常数；HFConst为ATT7035的HFConst寄存器的输出脉冲个数。

无功功率折算公式：(单位：Var) (2)

其中，Q_reg为从功率寄存器PowerQ读取的功率值；EC为智能控制器的脉冲常数；HFConst为ATT7035的HFConst寄存器的输出脉冲个数。

IRMS折算公式：(单位：A) (3)

其中，I_t为从IRMS读取的电流有效值数据；Ris为电流取样电阻阻值；Gain为电流通道增益。

URMS计算公式为：(单位：V) (4)

其中，U_t为从URMS读取的电压有效值数据；R_t为电压通道电阻串的总电阻值；Rus为电压取样分压电阻阻值；Gain为电压通道增益。

在该实施例中，有功功率P通过电压U、电流I相乘经过低通滤波器后得到；无功功率Q计算时，先将电压移相90°，然后通过移相器后电压U和电流I相乘，经过低通滤波器LPF得到；视在功率S通过电压有效值URms和电流有效值IRms相乘得到；对于通道1和通道2的功率分别提供增益校正和相位校正，同时针对小信号的精度问题，提供了偏置校正来消除外界干扰；对电压移相90°的滤波器性能与输入信号的频率及ADC采样率相关，可以通过无功相位补偿寄存器QPhsCal(49H)对90°移相进行相位补偿。QPhsCal默认为0，在femu为505296MHz时，对应到50Hz输入信号可以实现准确的90°移相。

参考图5，图5为一个实施例的智能家居用电控制器的电压电流有效值计算流程图。在ATT7035芯片中，可以同时输出两路电流和一路电压的有效值，即I_rms1，I_rms2，U_rms，其有效值可以保证0.5％的精度；同时通过对零点技术的方式，提供电压频率输出，频率的精度可以保证准确到0.01Hz。

参考图6，图6为一个实施例的智能家居用电控制器的自动防窃电方案设计原理图。在ATT7035芯片中可以通过防窃电模块对两路电流大小进行比较，选用较大的一路电流进行计量。可以通过FLTON(52H.5)来设置是否开启自动防窃电功能，如FLTON＝0时，用户可以根据CHNSEL(51H.4)进行通道选择；FLTON＝1时，防窃电单元根据用户的设置，自动选择相应的通道进行计量。用户还可以通过CIADD(51H.3)选择将两路电流先进行矢量叠加，然后再进行计量。通过ICHK(50H)用户可以设置发生窃电的比例，比如可以设置0x10H，表示两路电流有效值相差到6.25％时认为是发生了窃电。

当两路的电流的有效值均小于ITAMP(59H)的值时，将默认选择通道1为计量单元，以防止小信号时噪声的干扰；I2GT1(51H.5)为0表示I1大于I2，为1时表示I2大于I1；TAMP(51H.6)为1时表示发生了窃电，即两路电流相比超过了设定的防窃电阈值。

在该实施例中，自动防窃电设置步骤如下：

1)通过EMU_Ctr(5BH.5)开启ADC2通道：Adc_I2on＝1；

2)通过I2GAIN(4AH)对通道2的输出校正，保证同样的输入电流时，两个通道的有效值输出一致，使能第二路功率计算：PPXEN＝1；

3)根据需要的防窃电阈值，设置ICHK(50H)，设置防窃电的判断依据是有效值(tampsel＝0，default)或有功功率(tampsel＝1)；

4)根据需要检测防窃电的最小电流或功率值，设置ITAMP(59H)；

5)设置通道间窃电阈值Chk值；

6)通过I2GAIN对第二通道的输出校正，保证同样的输入电流时，两个通道的有效值输出一致；

7)开启防窃电功能，设置FLTON(0x52H.5)为1，开启自动防窃电功能。

在自动防窃电功能打开后，CHNSEL和CIADD处于只读状态，通道选择由防窃电的结果决定，可以通过寄存器位CHNSEL/TAMP/I2GTI1查看防窃电状态。

参考图7，图7为本发明一个实施例的智能家居用电控制方法流程图。该智能家居用电控制方法包括如下步骤。

步骤S01，采集与用电设备相连的市电的电能参数。此电能参数包括流经用电设备的电压、电流、频率等。

步骤S02，根据采集到的电能参数计算用电数据。此用电数据包括有功功率与有功电能、无功功率与无功电能、视在功率与视在电能、电压有效值及电流有效值等。

步骤S03，对计算出的用电数据进行显示。此步骤S03主要是为了将计算得到的数据显示出来方便查看。

步骤S04，判断是否接收到信号交换信息，若接收到信号交换信息，则进行信号交换，否则返回对计算出的用电数据进行显示的步骤。

步骤S05，根据交换得到的信号数据决定进行用电数据的交换或者对用电设备的开关进行控制。此步骤S05主要是为了将计算得到的数据传递出去，并接受外部的信号实现对用电设备的控制。对用电设备的控制包括控制用电设备的开或者关。

本发明的家居用电智能控制器能够实现电能参数采集与显示、电能数据的无线通讯传输以及继电器的开启和关断、过电流与过电压保护、漏电保护、自动报警等功能，软件程序调试程序主要包括I²C程序，负责将I²C芯片中存储的数据读入和写入ATT7035芯片；液晶显示程序，主要负责LCD液晶显示功能；时钟程序，主要用于读出日历中的时间，进行显示并对日历进行设置；计量程序，主要用于能量累计计算、有功功率计算、电能数据打包发送、读取并处理电能数据等；定时程序，主要用于定时；系统程序，主要用于将电量比例参数写入I2C芯片，并从I2C芯片读取电量比例参数；主程序，主要用于系统初始化，主函数调用其他函数，实现智能控制器全部功能。还包括各类头文件，主要是定义寄存器与管脚及相关函数与声明变量等。当然，对于所设计的智能控制器，其软件系统中的某些程序与函数均有多种实现方式，可以进一步优化。

在基于当前配电网由被动控制过渡到主动控制的大背景下，针对智能家居系统中的智能家居用电控制器，设计开发了一种基于ATT7035芯片为控制核心的智能家居用电控制器，其可对用电设备的电压、电流、频率、有功和无功功率、功率因素进行测量，并且可对有功电量累积消耗进行计算，在得出测量和计算结果后通过ZigBee通讯模块向智能家居系统的智能交互终端提供电能数据，智能交互终端上的App上层软件基于实时电能数据可以进行相应的智能用 电模式研究，同时可实时发出指令给智能控制器，智能控制器一旦收到交互终端的相应指令就可以通过智能控制器中的继电器模块实现智能控制器的开启和关断，从而控制与其相连的家用电器设备。除此之外，该家用智能控制器还可以通过保护模块实现自身保护的功能，例如防雷保护、过压保护、过流保护、短路保护、定时开通、定时关断、自动报警、自动休眠、状态提示等智能功能。该用电控制器具有多重保护功能、计量准确、可靠性高、实用性和智能化强、成本低廉等特点，可以有效减少用户用电开支，帮助用户有效节能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。