基于Zigbee无线通信的智能微型断路器的制作方法

本发明涉及一种智能微型断路器设备，尤其涉及一种可以实现无线通信的基于Zigbee通信协议的智能微型断路器装置，即，基于Zigbee无线通信的智能微型断路器装置。

背景技术：

能源问题是制约当今国民经济的核心问题，其中电力能源是重中之重，如何进行电力的节能问题是当今研究的核心。随着智能电网的推广和国家阶梯电价的实行，科学用电已经越来越受到电力用户的重视。如果能够让电力用户随时了解自己各个设备的用电量信息，那么电力用户通过节约用电、躲避用电高峰期等方法，就可以降低供电系统负担、保护环境、节约用电成本。

传统的微型断路器集控制和多种保护功能于一身，除能完成接触和分断电路外，还能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，同时也可以用于不频繁地启动电动机。正是因为传统的微型断路器具有这么多的优点，使得它在建筑工程、工业控制等相关电气控制领域成为不可缺少的电气控制装置之一。但是传统的微型断路器无法实时的将用户的用电量信息及时反馈给用户，如果用户想要了解用电信息，需要通过查看配电箱中的电度表，这种方式操作不方便，并且造成了用户了解用电量信息滞后，不利于节约用电和躲避用电高峰期。另外，用户也不能远程控制微型断路器的断开或者闭合，使得微型断路器自动化程度低，不能满足现在智能家居行业的发展要求。

智能微型断路器是在传统微型断路器的基础上发展起来的，是实现电力需求侧管理的主要智能化电器设备。它除了保持传统微型短路器的外形结构和安装方式外，引入了微电子、通信等技术。目前市场上出现的智能微型断路器，不但能够采集电流、电压或者功率等相关信息，而且还可以与用户进行实时通信，从而使电力用户在即使不查看电度表的情况下，也能够掌握电力用户自己的用电信息。但是这种智能微型断路器主要采用RS232、RS485或RS422等有线方式进行通信，不利于节约布线空间，并且给用电安全带来一定的隐患。

目前，常用的无线通信技术有红外技术，蓝牙技术和Wi-Fi技术，但红外技术适用于无障碍物的短距离通信；蓝牙技术在无线节点上有限，通信协议复杂；Wi-Fi技术对电子设备供电装置要求较高，成本和功耗都比较大。ZigBee技术是一种新兴的近距离、低成本、通信协议简单的高可靠无线传输技术，它有特定的无线电标准，能在数千个微型传感器之间相互协调，实现通信，适合于嵌入电子设备实现自动控制与远程控制功能。此外，使用Zigbee进行组网也有很多优势：首先，在节点布置上非常灵活，可以使设备放置在家居中的任何位置；其次，ZigBee组网技术允许布置6000多个节点，良好的扩展性有利于扩大网络的覆盖面积；最后，使用ZigBee技术更利于网络的维护，当网络出现问题时，可直接通过电脑或手持终端定位问题节点，如需要增加或替换节点，只需将新节点放置在需要的位置就可以了，这也是其最突出的优点。与其他常用的无线通信技术相比，ZigBee技术更适合智能家居系统的实现。

基于以上原因，本发明设计的基于Zigbee无线通信的智能微型断路器克服了传统微型断路器不能实时采集电量信息并将电量信息反馈给电力用户的缺点和目前市场上采用有线通信方式的智能微型断路器的布线占用空间和线路过长容易引起用电安全隐患的缺点，采用了基于Zigbee通信协议的无线通信方式，能够让电力用户实时掌握自己的用电信息、接收用户的控制命令并且可以与基于Zigbee协议的家用电器设备组成智能家居系统，方便了人类的生活，提高了生活质量，使得家居生活更加方便、舒适、人性化。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种基于带零线电流测量的单相多功能电能计量IC和内嵌有ARM Cortex-M3微控制器内核的Zigbee无线通信IC开发的智能微型断路器的实现方案，是一种可以实现测量电力用户有功、无功、视在功率、采样波形及电压、电流有效值，并将这些用电量信息通过无线Zigbee通信协议反馈给电力用户或者通过无线Zigbee通信协议接收用户命令以及根据当电力线路出现故障发出声音报警的装置，即，基于Zigbee无线通信的智能微型断路器。

本发明的基于Zigbee无线通信的智能微型断路器包括供电模块、电量检测模块、继电器输出模块、MCU控制模块、蜂鸣器报警模块和Zigbee无线通信模块，所述供电模块用于对所述电量检测模块、所述MCU控制模块和所述Zigbee无线通信模块进行供电，所述MCU控制模块分别与电量检测模块、继电器输出模块、蜂鸣器报警模块和Zigbee无线通信模块进行电路连接，所述MCU控制模块根据所述电量检测模块采集的用电数据对所述继电器输出模块和蜂鸣器报警模块进行控制，并能够将用电量信息通过所述Zigbee无线通信模块传递给用户，用户能够经由所述Zigbee无线通信模块向MCU控制模块下达指令以对继电器输出模块进行控制。

优选所述供电模块包含AC220V转DC5V电路和DC5V转DC3.3V电路。

优选所述电量检测模块能够测量有功、无功和视在功率、采样波形及电流和电压有效值，两个电流差分检测通道能够分别用于检测火线和零线电流，具有防窃电功能。

优选所述继电器输出模块能够控制单相火线常闭触点断开或者闭合，根据电量检测模块检测到的电流数值是否达到装置的电流门限来确定是否断开或者闭合单相火线上的继电器触点，从而为用户提供用电保护功能。

优选所述MCU控制模块通过SPI接口与电量检测模块进行通信，能够通过SPI通信对所述电量检测模块采集到的电量信息进行分析，然后通过所述Zigbee无线通信模块上传给用户或者根据电量信息来控制所述继电器模块的断开或者闭合。

优选所述蜂鸣器报警模块由所述MCU控制模块控制，在发生用电事故时，能够发出频率为1Hz的声音报警信号，以提醒用户由于后端用电故障。

优选所述MCU控制模块和所述Zigbee无线通信模块集成在一个芯片中。

优选所述芯片采用CC2538芯片。

优选所述Zigbee无线通信模块采用Zigbee无线通信协议，能够与其它支持该通信协议的设备自动组网，从而为用户提供更广阔的扩展功能。

本发明具有以下优点：1、电路整体结构体积小，占用空间小，完全可以安装到普通微型断路器壳体内部；2、采用无线通信方式，节约了线路成本，节省了布线空间，降低了由于布线带来的用电安全隐患；3、采用目前智能家居行业主流的Zigbee无线通信协议，可以很容易的与家庭中的其它智能设备进行组网；3、采用无线控制，用户可以远程控制微型断路器的闭合或者断开，方便了操作；4、两个电流差分检测通道可以分别用于检测火线和零线电流，具有防窃电功能；5、测量精度高：在3000∶1的动态范围内，有功和无功功率测量误差小于0.1％；在1000∶1的动态范围内，瞬时电流有效值测量误差小于0.2％。

附图说明

图1为基于Zigbee无线通信的智能微型断路器装置的原理结构框图。

图2为基于Zigbee无线通信的智能微型断路器装置的软件程序流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1为基于Zigbee无线通信的智能微型断路器装置的原理结构框图，图2为基于Zigbee无线通信的智能微型断路器装置的软件程序流程框图。该装置从硬件结构功能上包括：供电模块、电量检测模块、继电器输出模块、MCU控制模块和Zigbee无线通信模块和蜂鸣器报警模块；软件结构功能上包括：(1)控制单元初始化模块；(2)SPI读写模块；(3)继电器控制模块；(4)Zigbee通信；(5)声音报警五个模块组成。

一、基于Zigbee无线通信的智能微型断路器装置硬件系统

供电电路模块将交流220V电压通过AC220V转DC5V电路实现直流5V电压输出，然后直流5V电压通过DC5V转DC3.3V电路，实现直流3.3V输出，最大输出电流为1A。AC220转DC5V电路的AC220V输入端采用具有过载电流保护作用的热敏电阻。供电电路模块以直流3.3V电压为电量检测模块、Zigbee模块以及MCU模块供电。

电量检测模块能够测量有功、无功和视在功率、采样波形及电流和电压有效值，两个电流差分检测通道可以分别用于检测火线和零线电流，具有防窃电功能。电量检测模块通过电流互感器和电压互感器采样后得到的电流和电压信号输入到电能计量芯片ADE7953中。电能计量芯片将接收到的电压电流信号进行处理和计算，存入相应的寄存器中，然后通过SPI接口输出到MCU模块。

继电器输出模块能够控制单相火线常闭触点断开或者闭合，根据电量检测模块检测到的电流数值是否达到装置的电流门限来确定是否断开或者闭合单相火线上的继电器触点，从而为用户提供用电保护功能。

MCU控制模块与Zigbee模块采用内嵌有MCU功能的Zigbee通信芯片CC2538来实现。CC2538通过SPI接口与电量采集模块进行通信，通过SPI通信对电量采集模块采集到的电量信息进行分析，然后通过Zigbee无线通信方式上传给用户或者根据电量信息来控制继电器模块的断开或者闭合。Zigbee无线通信模块接收用户指令，然后由MCU模块来进行指令解析或者MCU通过Zigbee无线通信模块向用户发送用户用电量信息。通过采用内部集成有MCU和Zigbee通信功能的IC，从而能够将MCU控制模块和Zigbee无线通信模块的功能通过单芯片来实现，从而节约了PCB和该智能微型断路器装置的内部空间。

蜂鸣器报警模块在该智能微型断路器装置后端发生用电事故时，能够发出频率为1Hz的声音报警信号，能够提醒用户由于后端用电故障，该智能微型断路器装置的被测量火线处于断开状态。一旦用户使被测量火线形成闭合回路，蜂鸣器停止报警。蜂鸣器报警模块由MCU模块通过GPIO接口来实现控制功能。

二、基于Zigbee无线通信的智能微型断路器装置功能软件

控制单元初始化模块：主要控制电路上电初始化工作，包括SPI接口初始化、GPIO初始化、Zigbee寄存器初始化等相关操作。

SPI读写模块：主要完成将电量检测模块检测到的电压、电流、功率等相关信息传送给MCU模块的功能。在该SPI读写操作中，电量检测模块作为从SPI，MCU模块作为主SPI，由MCU来触发SPI接口数据的传输动作。

继电器控制模块：接收MCU模块通过GPIO接口发送的闭合或者断开指令。

Zigbee通信模块：完成组网，接收用户发送的指令或者将用户实时的用电量信息通过Zigbee网络协议发送给用户。

声音报警模块：该智能微型断路器装置检测到线路故障后，在MCU模块控制继电器断开电力回路的同时，发出频率为1Hz的声音信号，提醒用户及时排除线路故障。一旦线路故障排除，继电器重新闭合后，报警信号解除。用户能够通过手动或者远程无线方式来使该智能微型断路器重新闭合，从而形成工作回路。

软件流程为：

智能微型断路器上电后，首先完成对电量检测模块、蜂鸣器报警模块、继电器输出模块和Zigbee模块的初始化。然后等待用户发送相关指令。

用户可以发送两大类指令，一种是采集电量指令，另一种是继电器控制指令。当用户需要查看用电量信息时，可以通过支持Zigbee通信协议的设备向智能微型断路器发送采集电量指令。智能微型断路器接收到用户的采集电量指令后，通过电量检测模块按照一定的采用频率对被测线路进行电量信息采集，然后通过Zigbee协议发送给用户。

当路故障时，MCU控制模块通过分析电量检测模块采样的瞬时用电量信息发现被测回路故障时，在控制继电器输出模块触点断开的同时，控制蜂鸣器报警模块发出声音报警。

在被测回路故障未被排出时，继电器一直处于断开状态，蜂鸣器一直发出声音报警。当被测回路故障被排除后，智能微型断路器一旦收到用户发送的继电器触点闭合指令，MCU控制模块将会解除声音报警，同时控制继电器输出模块触点闭合，从而使被测回路闭合。