引言

随着全球资源环境压力的不断增大，社会对环境保护、节能减排和可持续性发展的要求日益提高。建设灵活、清洁、安全、经济、友好的智能电网，来缓解日益严重的能源短缺和环境问题已成为世界各国的共识 [1]。

目前建设智能电网是全世界各国的迫切需要，在我国建设智能电网的大背景下，智能用电显得尤为重要，而智能家居正是智能电网的重要实践[2]。纵观现有智能家居系统，智能插座在智能家居系统中具有不可替代的作用。本文介绍了智能插座在智能家居系统中的应用，以及新型智能插座的设计方法[34]。

1 发展现状

目前普遍存在的电源插座仅可以分配多路电源，而智能插座不仅具备此功能，而且具有智能化的功能，普通插座和智能插座在外形和功能上均有较大不同。

现阶段市场上已经出现了各种不同形态与功能的智能插座，基本可以分为以下几类：

①漏电保护型；②定时型；③主路控制型；④遥控型；⑤计量型[5]。

智能插座内部都集成了微处理器，可以进行智能处理，但当前的智能插座设计以提供保护、监测或控制等单一功能为主，很难实现智能化和远程控制，还没有达到智能家居系统的要求。

2 智能家居与智能插座

智能家居系统是智能用电的重要实现，也是物联网技术的应用。一个典型的智能家居系统一般包括以下几部分。

① 家庭内部模块。包括智能插座、智能安防系统、智能灯光系统等。目前绝大多数家用电器的用电情况都是通过智能插座来统计完成的。

② 远程用户终端。个人用户和政府、供电公司等其他机构可以通过客户端软件，查看或控制智能家居系统内所有设备的状态。

③ 智能家庭网关。网关是智能家居体系的核心，对上实现与服务器的信息通信，对下实现与插座和安防、灯光系统的通信和控制。

图1为一个典型的智能家居系统。

图1 智能家居系统

智能插座在目前智能家居系统中有着不可替代的作用。由于不同厂家生产的智能家居系统所使用的无线技术不同，若在电气设备直接嵌入无线模块，成本太高且可复用性太差，所以最合理的情况是通过智能插座完成网关对家电设备的控制，且同一插座可用于任何具有正常电源插头的电器设备。

3 智能插座详细设计

3.1 智能插座功能需求分析

智能插座作为智能家居系统中网关与一般家用电器交互的工具，其包含的功能有：

① 开关控制。通过指令控制实现继电器的断开或者闭合，当继电器状态发生变化时，向网关发送继电器的状态信息。

② 智能控制。客户端或其他平台通过服务器和网关，对智能插座发送指令，插座根据指令要求对家电的通断或者数据采集模块进行控制。

③ 数据采集与传输。固定式智能插座应能读取当前接入设备的电流、接入电源的电压、有功功率、累计正向有功总电能、功率因数，并存储接入设备的累计正向有功总电能。

④ 过载保护。当负载功率大于阈值时，插座自动断电，并将反馈信息发送回网关，当功率恢复正常后，插座恢复。

3.2 总体框架

智能插座主要包含4个模块：电源模块、继电器控制模块、计量模块、处理器及无线通信模块。图2给出了这些模块及它们之间的相互关系。

图2 智能插座模块框图

3.2.1 电源模块

电源模块采用外形尺寸小、转换效率高且输出稳定的小功率开关电源。图3为电源模块的设计方案，这是一个反激式开关电源，采用AC/DC电源控制芯片UCC28710为核心。交流市电接入电路后，首先通过一个抑制浪涌电流的电阻R12，然后经过MB6S和L2、C8、C9组成的整流滤波电路，可以滤掉电源噪音并改善电路EMI。C10、D2、D3组成RCD钳位电路，用来吸收漏感能量，防止高压击穿MOS管。由UCC28710芯片、MOS管Q2和R14、R15、R16、R17组成MOS管驱动和过流保护电路。由R18、R19、R20还有D4组成电压反馈电路。再经过由D5、C12、R22组成的输出端整流滤波电路后，接入LM11175 V和LM11173.3 V，提供5 V和3.3 V的直流电源供其他模块使用。

图3 电源模块电路

3.2.2 继电器控制模块

继电器控制模块采用控制电压为5 V的直流电磁继电器，触电负载设置为230 V/10 A。当处理器接收到超过2 300 W的过载信号后，继电器通电打开，电路负载与交流市电断开。当电路信号正常后，继电器断电吸合，负载上电，并连接计量模块CS5463芯片。

3.2.3 计量模块

计量模块的设计要保证采集数据精度高、可靠性强，同时又要尽可能采用体积小、成本低的芯片。因此选取功耗低且符合IEC、ANSI工业标准的CS5463芯片。

负载通过继电保护模块连接到交流市电，当继电器无动作时，负载正常工作，CS5463芯片的电压和电流通道输入引脚两端输入一电压信号波，分别经过2ndΔΣ调制器和4thΔΣ调制器来数字化。得到的电压和电流信号相乘即得到功率。

在交流市电情况下，输入电压和电流都是正弦波，则有瞬时电压和电流值：

其中,U和I分别为输入电压和电流的有效值，ω为交流周期，则瞬时功率可由下式计算得到：

图4所示为计量模块电路图。当电路负载工作时，消耗的电压通过电流互感器T1和R1、R2、R5、R6组成的信号处理电路（即电压取样电路）传递，形成差动电压信号接入电压通道；相应经过电流取样电路，形成差动电压信号接入芯片的电流通道。得到的瞬时电压和电流的采样数据相乘，得到瞬时功率。N个瞬时功率平均计算出有功功率的值驱动电能脉冲从E1引脚输出。本系统中设置运转模式寄存器中的VHPF和IHPF位为1，使HPF滤波器工作，不需进行DC偏移量校准；对于AC偏移量校准，输入一个100 mV的电压校准信号到电压通道，输入一个10 mA的电流校准信号到电流通道。因为交流偏移量校准会引起CS5463的Irms的值在小电流时出现偏差，所以最后再加一个5 mA的参考信号再进行一次AC偏移量校准。

图4 计量模块电路

3.2.4 CC430F5123处理器及无线通信模块

处理器采用TI公司推出的CC430F5123，此处理器有开放的外围RF接口，使用时需对其进行射频阻容匹配设计，由于缺少完善的硬件设备，故此采用巴伦器0433BM15A0001代替硬件阻容匹配，免去了设计及调试的环节。

图5给出系统控制程序的流程图。其中设备初始化主要包括I/O口、无线信道设置、按键和指示灯等。主程序中，处理器通过一个外部中断来接收计量模块计数，定时向网关发送数据；当网关对插座发送数据查询、数据同步等其他无线任务时，无线模块完成数据解析并发送回网关；当发送过载事件时，MCU控制继电器自动切断电路并传回给网关。

图5 系统程序流程图

4 性能测试

4.1 电源模块测试

在实验室环境下，对电源模块接入220 V交流电，测试其直流输出。其测试结果如图6所示。通道1为3.3 V直流波形，通道2为5 V直流波形。由示波器图形可以看出，电源模块输出波形非常稳定。

图6 电源模块测试

4.2 计量模块测试

计量模块数据的准确性对于插座的可用性及有效性有着重要的影响。为完成对计量模块的准确测试，使用电能表和智能插座对不同功率的两种用电器同时进行测试，并对测试结果进行比较。

对于额定功率1 500 W和20 W的用电设备分别进行测试，测试时间为5小时，每小时采集一次耗电量数据，进行比对。表1是测试结果，可以看出用插座计量模块测量得到耗电量数值与电能表测试得到数值相差无几，说明计量模块具有较高的准确性。

表1 计量模块测试数据

4.3 通信模块测试

插座无线通信模块通信质量的好坏，直接影响到数据传输可靠性。我们选取误码率和传输时间这两个指标对其进行评价。在实验室环境下，房间大小为13 m×20 m，房间中有2个智能插座，每个插座都向网关发送数据包，分别对100～500个包进行测试。

测试结果如图7所示，在500个数据包情况下也有较高的成功发包率。另外，在此实验环境下，传输时间持续1～3 s，时间较短，说明无线传输效率可以满足使用。

图7 无线通信发包成功率

结语

本文介绍了一种新型智能插座的功能和设计，详细描述了各个模块的具体实现，它具有通断控制、电数据采集、继电保护等多种功能，可以很好地满足智能家居系统的需求。经过对各模块的验证测试，发现各模块有效性和可用性都可以达到预定要求，完成相应功能。下一步将制定严谨规范的测试方案，在不同环境下，从能耗分析与在电网削峰填谷等多方面证明其有效性。