基于功率計(jì)量芯片的遠(yuǎn)程智能電源管理系統(tǒng)研究

孫玥 王迪

摘? ?要：針對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室等多用電設(shè)備場(chǎng)合以及用電集中管理、降低能耗和用電安全等問(wèn)題，文章研究了一種基于功率計(jì)量芯片的遠(yuǎn)程智能電源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由智能電源終端和后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)組成，可自動(dòng)判定用電設(shè)備是否處于待機(jī)狀態(tài)，并根據(jù)場(chǎng)景通過(guò)電源終端設(shè)備對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行管理。應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有自動(dòng)感應(yīng)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，適用于多用電設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房等場(chǎng)所，不僅節(jié)約電能，還可以集中管理用電設(shè)備，預(yù)防安全事故發(fā)生。

關(guān)鍵詞：HLW8012;智能電源終端;功率測(cè)量;電源集中控制

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能控制系統(tǒng)不斷走入人們的現(xiàn)實(shí)生活。對(duì)于教學(xué)活動(dòng)而言，實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)承擔(dān)著重要教學(xué)任務(wù)的場(chǎng)所。但很多高校的實(shí)驗(yàn)室對(duì)于電源的管理依然停留在傳統(tǒng)的人工管理階段，存在很多諸如樓宇管理員電源開(kāi)關(guān)不及時(shí)而導(dǎo)致影響教學(xué)正常進(jìn)行和電能浪費(fèi)等現(xiàn)象。因此，本文以某高校的實(shí)驗(yàn)大樓為例，設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)室電源集控系統(tǒng)，以解決實(shí)驗(yàn)室在使用過(guò)程中由于電源的原因所出現(xiàn)的一系列問(wèn)題[1-3]。

1? ? 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

整個(gè)遠(yuǎn)程智能電源管理系統(tǒng)由智能電源管理終端和后臺(tái)服務(wù)器組成，需要實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容。

（1）智能電源管理終端通過(guò)TCP/IP協(xié)議接收服務(wù)器的控制指令，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的電器電源進(jìn)行通斷控制。

（2）服務(wù)器端監(jiān)控軟件擁有各實(shí)驗(yàn)室電源狀況的監(jiān)視功能，并能根據(jù)管理員的操作通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送應(yīng)相對(duì)的控制代碼至智能電源管理終端。

（3）定時(shí)發(fā)送狀態(tài)請(qǐng)求命令，讓智能電源管理終端定期反饋各實(shí)驗(yàn)室電源的實(shí)時(shí)狀況。

（4）服務(wù)器端監(jiān)控軟件擁有設(shè)置實(shí)驗(yàn)室電源自動(dòng)開(kāi)啟時(shí)間功能。

基于上述需要實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)總共包含兩大模塊：服務(wù)器監(jiān)控軟件模塊與智能電源管理終端。其中，服務(wù)器監(jiān)控軟件模塊主要以阿里云服務(wù)器為載體，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電源管理終端的監(jiān)視與控制。而智能電源管理終端則是采用ARM單片機(jī)為核心的實(shí)驗(yàn)室電源控制系統(tǒng)，主要作用是接收服務(wù)器下發(fā)的控制信號(hào)，處理后對(duì)連接在其上的各實(shí)驗(yàn)室電源進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)將各實(shí)驗(yàn)室的電源狀態(tài)信息反饋給服務(wù)器。服務(wù)器監(jiān)控軟件模塊和智能電源管理終端采用無(wú)線連接，兩者之間采用TCP/IP通信協(xié)議[4-6]，系統(tǒng)具體框架如圖1所示，系統(tǒng)整體拓?fù)淇蚣苋鐖D2所示。

2? ? 智能電源管理終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文采用HLW8012計(jì)量芯片，該芯片為SOP8封裝，其振蕩器內(nèi)置處理，以方便設(shè)計(jì)者的PCB布板。該芯片在提供電流、電壓有效值輸出的同時(shí)，還提供一個(gè)輸出為高頻的有功功率信號(hào)，方便系統(tǒng)對(duì)電量的統(tǒng)計(jì)[7-9]，其原理框如圖3所示。

2.1? 電流采樣設(shè)計(jì)

電流采樣可以采用兩種實(shí)現(xiàn)方式：使用互感器和使用分流器。本文采用的是分流器的實(shí)現(xiàn)方式，主要是基于以下兩點(diǎn)考慮：（1）錳銅分流器的成本比互感器低;（2）分流器的線性度比互感器更優(yōu)。如圖4所示，電流經(jīng)過(guò)分流器后，會(huì)在計(jì)量芯片的采樣端形成一個(gè)電壓差值，芯片通過(guò)采集電壓差值的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的采樣。

分流器選型時(shí)，對(duì)于錳銅分流器阻值的選擇需要符合以下原則。

（1）分流器的功率要足夠大，發(fā)熱情況需符合技術(shù)要求。當(dāng)負(fù)載功率較大時(shí)，流經(jīng)分流器的電流較大，此時(shí)需保證分流器不會(huì)被燒壞，且阻值不應(yīng)發(fā)生較大的偏差。

（2）分流器在最大負(fù)載時(shí)所產(chǎn)生的采樣信號(hào)不應(yīng)超過(guò)計(jì)量芯片允許輸入的最大值。例如分流器的阻值為2 mΩ，理論上允許通過(guò)的電流最大值為30.9 mV/2 mΩ=15.45 A。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中一般要留有20%～30%的余量，因此，允許最大的輸入電流值為10.3 A[10-11]。

2.2? 電壓采樣設(shè)計(jì)

電壓采樣則相對(duì)簡(jiǎn)單許多，一般采集零線上的信號(hào)。由于電壓信號(hào)較大，可直接通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)降壓的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)的采樣，原則上電壓采樣的信號(hào)不應(yīng)超過(guò)通道最大允許輸入值的1/2。HLW8012電壓通道的最大允許輸入電壓信號(hào)為470 mV，那么在設(shè)計(jì)時(shí)電壓通道的最大采樣信號(hào)值應(yīng)設(shè)為230 mV左右，如圖5所示。

3? ? 服務(wù)器監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文的智能電源管理系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，是實(shí)驗(yàn)室電源管理高效運(yùn)作的重要支撐。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室管理的特點(diǎn)，關(guān)注實(shí)踐過(guò)程中所涉及的學(xué)生、教師等人員的實(shí)際需求進(jìn)行系統(tǒng)主體架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖6所示。

其中，服務(wù)器網(wǎng)站架構(gòu)由學(xué)生用戶、教師用戶、管理員3個(gè)模塊組成。學(xué)生用戶可預(yù)約實(shí)驗(yàn)室區(qū)域、查看記錄。教師用戶除了正常課表錄入的教學(xué)時(shí)間外，也可對(duì)課程進(jìn)行預(yù)約、查看記錄。管理員對(duì)學(xué)生預(yù)約申請(qǐng)進(jìn)行審核，并提前為必要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備供電，對(duì)實(shí)驗(yàn)室區(qū)域進(jìn)行監(jiān)管，并對(duì)使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[12-15]。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)區(qū)域中各個(gè)教室的空調(diào)與電燈的電源，可以及時(shí)了解實(shí)驗(yàn)室區(qū)域情況并進(jìn)行相應(yīng)的處理。在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室管理工作中，本系統(tǒng)也可以節(jié)省管理員的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電源自動(dòng)定時(shí)開(kāi)關(guān)，有效避免電能過(guò)度浪費(fèi)、電源漏關(guān)或漏開(kāi)情況的出現(xiàn)。本系統(tǒng)具有自動(dòng)化和智能化的特點(diǎn)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Abstract：Aiming at the problems of centralized management of power consumption， energy consumption reduction and power safety in school laboratories and other situation， in this paper， a remote intelligent power management system based on power metering chip is researched. The system consists of intelligent power terminal and background monitoring system. The system can automatically determine whether the electrical equipment is in standby state， and manage the electrical equipment through the power terminal equipment according to the scene. The application shows that the system has the characteristics of automatic induction and dynamic regulation. It is suitable for laboratories， computer rooms and other places where plenty of power consumption equipment is used. It not only saves electric energy， but also centralizes the management of power equipment， and prevents safety accidents.

Key words：HLW8012; intelligent power terminal; power measurement; power centralized control