基于dsp的家庭智能用电控制终端的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了基于DSP的家庭智能用电控制终端，包括：包括中央处理单元、信息单元、能量单元、测量单元和接口单元；中央处理单元分别与信息单元、能量单元和测量单元连接；接口单元包括插头和插座；插头和插座通过火线、地线和零线三线连接；插座还与家电设备连接；信息单元包括wifi通信模块和Flash存储模块；Wifi通信模块通过家庭路由器分别与云端服务器和用户移动终端APP连接；本实用新型中央处理单元根据云端服务的计算结果和电网发布的电价信息及优惠政策，结合优化算法制定的家电用电策略，在不影响用户用电舒适度的前提下自动控制各个家电的启动时间和工作时长，从而达到高效智能用电，减少家庭能耗等效果。
【专利说明】
基于DSP的家庭智能用电控制终端
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种智能电网，特别是涉及一种基于DSP的家庭智能用电控制终端，属于电能监测及分布式能源设备控制领域。
【背景技术】
[0002]智能电网的指导思想就是强调与用户信息和电能的双向互动;鼓励用户改变传统的用电方式，积极参与电网运行，根据实时电价调整用电模式。智能用电是智能电网建设的重要环节，电网公司在掌握了用户的用电规律后，可以在影响用户生活质量的前提下指导用户科学合理地高效用电，减少家庭能耗，从而提高居民用电效率。
[0003]现在除少数家电具有远程控制功能之外，大部分的家电设备依然是不可控的；此夕卜，即便是可远程控制的家电，若是每天需要用户关注电网发布的互动策略进行人工调节，这显然增加用户的负担，从而难以推广用户参与电网运行根据实时电价调整用电模式的理念。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种基于DSP的家庭智能用电控制终端，支持常用家电设备的即插即用，通过精准的用户用电监测，利用云端服务器分析用户用行为模式并制定合理的智能用电策略自动控制各个家电的启动时间及工作时长，实现电网与用户的能量-信息双向互动，从而达到优化用户用电效率，减少家庭能耗的效果。
[0005]本实用新型目的通过如下技术方案实现:
[0006]一种基于DSP的家庭智能用电控制终端，其特征在于:包括中央处理单元、信息单元、能量单元、测量单元和接口单元；中央处理单元分别与信息单元、能量单元和测量单元连接;接口单元分别与能量单元和测量单元连接；
[0007]所述中央处理单元是以DSP为核心的控制器；
[0008]所述接口单元包括插头和插座;插头和插座通过火线、地线和零线三线连接;插头还与接线板连接;插座还与家电设备连接；
[0009]所述信息单元包括wifi通信模块和Flash存储模块;Wifi通信模块通过家庭路由器分别与云端服务器和用户移动终端APP连接;Flash存储模块与中央处理单元连接；
[0010]所述能量单元包括开关模块和电源转换模块;开关模块主要由继电器构成，并与接口单元的火线串接;电源转换模块并联在接口单元的火线和零线上，电源转换模块包括自恢复保险丝、压敏电阻、交流-直流转换模块和LC滤波电路;交流-直流转换模块的两个接线口分别与接口单元的火线和零线连接，交流-直流转换模块与零线连接的线路上串接自恢复保险丝，火线和零线之间并接压敏电阻，压敏电阻位于自恢复保险丝与流-直流转换模块之间；交流-直流转换模块的两个出口与LC滤波电路并接;LC滤波电路包括第一滤波电容，第二滤波电容、第三滤波电容和滤波电感;第一滤波电容，第二滤波电容、第三滤波电容并接，并联的负端接地，并联的正端输出+5V电压，在第一滤波电容和第二滤波电容的正端之间串接滤波电感；
[0011 ]所述测量单元包括信号调理模块和模数转换模块;信号调理模块由电压信号调理电路和电流信号调理电路构成;模数转换模块连接在信号调理模块和中央处理单元之间；电压信号调理电路包括第一分压电阻、第二分压电阻、第一差分放大器、第一比例电阻、第一滤波电阻、第一滤波电容、第一旁路滤波电容和第三旁路滤波电容;第一比例电阻的两端分别与第一差分放大器的两个引脚连接;第一分压电阻和第二分压电阻的一端分别火线和零线连接，另一端并联连接到第一差分放大器，第一分压电阻和第二分压电阻的输出接入到差分放大器;第一旁路滤波电容和第三旁路滤波电容分别并联接到到第一差分放大器的负、正电源端;第一滤波电阻的一端与第一差分放大器连接，另一端与第一滤波电容并接，并联端接电压信号调理电路的输出，输出直接与模数转换模块连接；
[0012]所述电流信号调理电路包括检流电阻、第二差分放大器、第二比例电阻、第二滤波电阻、第二滤波电容、第二旁路滤波电容和第四旁路滤波电容;检流电阻串接在零线上，检流电阻两端分别通过接线与第二差分放大器两个接线端连接，第二比例电阻的两端分别与第二差分放大器的两个引脚连接;第二旁路滤波电容和第四旁路滤波电容分别并联到第二差分放大器的负、正电源端;第二滤波电阻的一端与第二差分放大器连接，另一端与第二滤波电容并接，并联端与压信号调理电路的输出连接，输出与模数转换模块连接。
[0013]为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述中央处理单元是以DSP为核心的控制器，选用C2000系统数字信号处理器TMS320F28035芯片或TMS320F28027芯片。
[0014]优选地，所述Wifi通信模块选用基于工业级无线通信芯片CC3200的集成通信模块。
[0015]优选地，所述Flash存储模块主要由AT25FS040芯片构成，Flash存储模块与中央处理单元连接，采用3线串口通信方式连接，具有4M的存储空间。
[0016]优选地，所述开关模块选择具有16A开断能力的HFE20-1-5-1HST-L1继电器。
[0017]优选地，所述模数转换模块主要由集成模数转换芯片MAX1321构成。
[0018]优选地，所述第一差分放大器和第二差分放大器采用INAl 28高精度仪表放大器。
[0019]本实用新型中央处理单元用于响应信息、能量、测量、优化单元等服务请求以及数据处理;信息单元用于存储本地用户账号信息和用电数据，并与上层云端服务器进行通信，实现本地数据的上传以及接受电网发布的实时电价、用电政策等信息，同时还能够实现与安装在用户移动终端的APP进行信息交互;能量单元用于实现对各类家用电器的能量管理，包括:用电的通断控制、过载保护操作、限电控制等;测量单元用于对接入的零线、火线、地线的电压、电流信号进行实时监测，实现基本的用电数据采集。
[0020]正常工作时，所述接口单元用于构建家庭墙壁插座或接线板与家电设备的连接；所述中央处理单元用于响应信息、能量、测量、优化单元等服务请求以及数据处理;所述信息单元用于存储本地用户账号信息和用电数据，并通过家庭路由器与上层云端服务器进行通信实现本地数据的上传以及接收电网发布的电价信息和优化政策，同时还可以实现与安装在用户移动终端的APP进行信息交互;所述能量单元用于实现对各类家用电器的能量管理，包括:用电的通断控制、过载保护操作、限电控制等;所述测量单元用于对接入的电压、电流信号进行实时监测，实现基本的用电数据采集。
[0021 ]相对于现有技术，本实用新型具有如下优点:
[0022]I)本实用新型的基于DSP的家庭智能用电控制终端具有测量、开关控制、无线通信等功能，能准确地采集到家电设电气参数以及用户用电情况等信息，借助云端服务器分析用户用电行为模式并结合电网发布的电价信息及优惠政策制定合理的智能用电策略，实现家电启动时间以及工作时长的自动控制，从而解决了用户需要人工控制家电的问题，极大方便了用户参与电网需求侧响应的政策，进而可以有效提高用户用电效率，减少家庭能耗，实现经济用电的目的。
[0023]2)本实用新型的基于DSP的家庭智能用电控制终端内置集成式电源转换模块，可以直接从220V市电中获取电能供给到整个终端。该集成式电源转换模块具有体积小、成本低的特点，并且采用开关式交流-直流转换模式，可以在较低的功耗下把220V市电转换成5V直流电。同时电源转换模块采用压敏电阻以及热敏电阻同时实现了过压和过流保护，进而保证整个基于DSP的家庭智能用电控制终端的使用安全性。
[0024]3)为了节省空间，本实用新型的基于DSP的家庭智能用电控制终端采用直接电阻分压式的电压采集方式，并且运用了集成差分运算放大器代替传统的差分运算电路，从而减少了电路中的器件，相当于减少了信号测量电路中的噪声源，从而保证信号测量的高精度。此外，传统电力计量设备通过集成计量芯片测量电量，这种方式受计量芯片功能的限制一般只能测量基本电量如电压、电流、功率、电能等而不能够实现灵活的谐波测量，而本实用新型的信号调理方式则可实现多种电量的测量。
【附图说明】
[0025]图1为本实用新型的基于DSP的家庭智能用电控制终端的整体结构示意图。
[0026]图2为图1基于DSP的家庭智能用电控制终端实现实例示意图。
[0027]图3为图2中电源转换模块电路图。
[0028]图4为图2中电压信号调理电路图。
【具体实施方式】
[0029]为更好地理解本实用新型，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述，但本实用新型的实施方式不限如此。
[0030]如图1、2所示，本实用新型的基于DSP的家庭智能用电控制终端，包括中央处理单元1、信息单元2、能量单元3、测量单元4和接口单元5;中央处理单元I分别与信息单元2、能量单元3和测量单元4连接;接口单元5分别与能量单元3和测量单元4连接；
[0031]中央处理单元I是以DSP为核心的控制器，优选TI公司的C2000系统数字信号处理器TMS320F28035芯片。该芯片具有最高60MHz的主频，片载64K内存以及16K缓存，可用于较大项目的开发；同时该芯片相对其他DSP芯片，具有体积小、功能外设齐全的特点，较为适合本实用新型的应用。中央处理单元I同时与信息单元2、能量单元3、测量单元4连接，用于协调控制各个单元的正常工作，同时响应各单元的服务请求。
[0032]接口单元5包括插头和插座；插头和插座通过火线、地线和零线三线连接;插头还与接线板连接;插座还与家电设备连接;接口单元5用于构建家庭墙壁插座或接线板，与家电设备的连接。
[0033]信息单元2包括wifi通信模块21和Flash存储模块22;Wifi通信模块21优选TI公司的工业级CC3200无线通信芯片集成通信模块。Wif i通信模块21通过异步串口的方式与中央处理单元I实现数据传输，Wifi通信模块21通过家庭路由器6分别与云端服务器7和用户移动终端APP8连接，利用wifi无线联网的方式与云端服务建立数据连接，其中通讯的协议是HTTP Alash存储模块22主要由AT25FS040芯片构成，Flash存储模块22与中央处理单元I连接，采用3线串口通信方式，具有4M的存储空间，主要用来存储本地的用户账户、路由器登陆以及选定时间段内用户用电数据等。
[0034]能量单元3包括开关模块31和电源转换模块32;开关模块31主要由继电器构成，并与接口单元5的火线串接，用于实现用电的通断控制、过载保护操作、限电控制等;开关模块31选择具有16A开断能力的HFE20-1-5-1HST-Ll继电器，该继电器具有体型小、功耗低的特点，有利于减少本实用新型的体积和功耗。电源转换模块32用于将接入的市电电压转换成适合所述基于DSP的家庭智能用电控制终端的直流电压，是整个终端的供电系统。
[0035]如图3所示。电源转换模块并联在接口单元5的火线L和零线N上，电源转换模块32包括自恢复保险丝R11、压敏电阻R12、交流-直流(AC/DC)转换模块P1、LC滤波电路;交流-直流转换模块Pl的两个接线口分别与接口单元5的火线L和零线N连接，交流-直流转换模块Pl与零线N连接的线路上串接自恢复保险丝Rll，火线L和零线N之间并接压敏电阻R12，压敏电阻Rl 2位于自恢复保险丝Rl I与流-直流转换模块Pl之间；交流-直流转换模块PI的两个出口与LC滤波电路并接;LC滤波电路包括第一滤波电容C7，第二滤波电容C8、第三滤波电容C9和滤波电感L2;第一滤波电容C7，第二滤波电容C8、第三滤波电容C9并接，并联的负端接地，并联的正端输出+5V电压，在第一滤波电容C7和第二滤波电容C8的正端之间串接滤波电感L2;其中自恢复保险丝Rll用于短路保护;压敏电阻R12用于过压保护;交流-直流转换模块Pl用于将交流的市电电压转换成5V直流电源;第一滤波电容C7，第二滤波电容C8、第三滤波电容C9、滤波电感L2—起构成LC滤波电路，将直流电压的纹波滤去。
[0036]测量单元4包括信号调理模块41和模数转换模块42;信号调理模块41由电压信号调理电路和电流信号调理电路构成，用于将大电压、大电流信号转换成小电压信号。模数转换模块42连接在信号调理模块41和中央处理单元I之间，用于将信号调理模块41输出的模拟信号转换成数字信号并传输到中央处理单元I进行数据分析。模数转换模块42主要由集成模数转换芯片MAX1321构成，该芯片是14位4通道ADC，具有+5V供电，±5V双极性输入、土16.5输入保护等特点，极大地简化了模数转换电路的设计。
[0037]为了更清晰信号调理模块的结构，下面以图4进行说明。如图4所示，电压信号调理电路包括:第一分压电阻Rl、第二分压电阻R2、第一差分放大器Ul、第一比例电阻RGl、第一滤波电阻Rol、第一滤波电容Col、第一旁路滤波电容Cl和第三旁路滤波电容C3;第一比例电阻RGl的两端分别与第一差分放大器Ul的两个引脚连接;第一分压电阻Rl和第二分压电阻R2的一端分别火线L和零线N连接，另一端并联连接到第一差分放大器Ul，用于将大电压转换成小电压信号，第一分压电阻Rl和第二分压电阻R2分压的输出接入到差分放大器Ul，以实现小信号的放大;第一旁路滤波电容Cl和第三旁路滤波电容C3分别并联接到到第一差分放大器UI的负、正电源端;第一滤波电阻R OI的一端与第一差分放大器UI连接，另一端与第一滤波电容Col并接，并联端接电压信号调理电路的输出Uo，输出直接与模数转换模块42连接;第一滤波电阻Rol和第一滤波电容Col构成一个一阶RC低通滤波器，用于滤除电压信号调理输出的高次谐波;Uo表示电压信号调理电路的输出，该信号直接连接到模数转换模块42上。
[0038]电流信号调理电路包括检流电阻R3、第二差分放大器U2、第二比例电阻RG2、第二滤波电阻Ro2、第二滤波电容Co2、第二旁路滤波电容C2和第四旁路滤波电容C4。检流电阻R3串接在零线N上，检流电阻R3两端分别通过接线与第二差分放大器U2两个接线端连接，将电流信号转换成小电压信号，并接入到差分放大器U2实现信号放大;第二比例电阻RG2的两端分别与第二差分放大器U2的两个引脚连接;第二旁路滤波电容C2和第四旁路滤波电容C4分别并联到第二差分放大器U2的负、正电源端;旁路电容用于滤除差分放大器的电源噪声。第二滤波电阻Ro2的一端与第二差分放大器U2连接，另一端与第二滤波电容Co2并接，并联端与压信号调理电路的输出连接，输出与模数转换模块42连接;第二滤波电阻Ro2和第二滤波电容Co2构成一个一阶RC低通滤波器，用于滤除电流信号调理输出的高次谐波。
[0039]中央处理单元I用于响应信息、能量、测量、优化单元等服务请求以及数据处理;信息单元2用于存储本地用户账号信息和用电数据，并与上层云端服务器进行通信，实现本地数据的上传以及接受电网发布的实时电价、用电政策等信息，同时还能够实现与安装在用户移动终端的APP进行信息交互;能量单元3用于实现对各类家用电器的能量管理，包括:用电的通断控制、过载保护操作、限电控制等;测量单元4用于对接入的零线、火线、地线的电压、电流信号进行实时监测，实现基本的用电数据采集。
[0040]当测量单元4完成一个周期的数据采集后，中央处理单元I响应测量单元4的计算服务请求，利用FIR低通数字滤波、有效值计算、全相位FFT等数字信号处理算法对采集到数据进行分析计算，从而得到接入的家电设备的基本用电情况;此外，当所述测量单元4监测到家电设备发生短路故障时，也可立即向所述中央处理I单元发出警告，中央处理单元I接到警告后则立即控制能量单元3进行断电操作。当采集是数据分析计算完成后，中央处理单元I即可控制信息单元2向云端服务器上传实时的用电信息；同时当信息单元2接收到云端服务器传输的信息时，则向中央处理单元I发送信息服务请求，中央处理单元I响应后即可接收到云端服务器7输送的信息，如家电设备类型解析结果、电网电价信息及优惠政策用户用电行为模式分析结果等；当家电设备类型被锁定后，中央处理单元I则开始自动家电控制模式，通过控制能量单元3实现家电设备的能量管理。
[0041]上电工作后，测量单元4对接入常用家电设备进行实时监测并解析电压、电流信号的波形、频谱、功率等信息，然后通过所述信息单元将这些信息上传到云端服务器的数据库进行比对，自动识别所接入家电的类型;云端服务器7将识别的结果反馈所述信息单元并存储。当家电设备类型被锁定后，所述中央处理单元开始执行自动家电控制任务:利用所述测量单元监测接入的家电设备的用电功率、用电时间等信息，根据相应的分析算法解析用户用电行为模式;根据用户的用电行为习惯，结合所述信息单元接受到的电网发布的电价及优惠政策，在不影响用户用电舒适度的前提下，制定各接入家电的用电策略并利用所述能量单元自动控制各家电的启动时间和工作时长。
[0042]本实用新型的基于DSP的家庭智能用电控制终端，首先通过对接入的家电设备如空调、冰箱、热水器、洗衣机等进行实时监测，采集包括电压、电流有效值、功率、功率因数、谐波、瞬时电流波形等基本用电信息，然后并将这些数据上传到云端服务器进行统一分析计算，最后将计算结果返回到所述智能用电控制终端，所述中央处理单元根据云端服务的计算结果和电网发布的电价信息及优惠政策，结合专业的优化算法制定的家电用电策略，在不影响用户用电舒适度的前提下自动控制各个家电的启动时间和工作时长，从而达到高效智能用电，减少家庭能耗等效果。
【主权项】
1.基于DSP的家庭智能用电控制终端，其特征在于:包括中央处理单元、信息单元、能量单元、测量单元和接口单元；中央处理单元分别与信息单元、能量单元和测量单元连接;接口单元分别与能量单元和测量单元连接； 所述中央处理单元是以DSP为核心的控制器； 所述接口单元包括插头和插座;插头和插座通过火线、地线和零线三线连接;插头还与接线板连接;插座还与家电设备连接； 所述信息单元包括wifi通信模块和Flash存储模块;Wifi通信模块通过家庭路由器分别与云端服务器和用户移动终端APP连接;Flash存储模块与中央处理单元连接； 所述能量单元包括开关模块和电源转换模块;开关模块主要由继电器构成，并与接口单元的火线串接；电源转换模块并联在接口单元的火线和零线上，电源转换模块包括自恢复保险丝、压敏电阻、交流-直流转换模块和LC滤波电路;交流-直流转换模块的两个接线口分别与接口单元的火线和零线连接，交流-直流转换模块与零线连接的线路上串接自恢复保险丝，火线和零线之间并接压敏电阻，压敏电阻位于自恢复保险丝与流-直流转换模块之间；交流-直流转换模块的两个出口与LC滤波电路并接;LC滤波电路包括第一滤波电容，第二滤波电容、第三滤波电容和滤波电感;第一滤波电容，第二滤波电容、第三滤波电容并接，并联的负端接地，并联的正端输出+5V电压，在第一滤波电容和第二滤波电容的正端之间串接滤波电感； 所述测量单元包括信号调理模块和模数转换模块;信号调理模块由电压信号调理电路和电流信号调理电路构成;模数转换模块连接在信号调理模块和中央处理单元之间；电压信号调理电路包括第一分压电阻、第二分压电阻、第一差分放大器、第一比例电阻、第一滤波电阻、第一滤波电容、第一旁路滤波电容和第三旁路滤波电容;第一比例电阻的两端分别与第一差分放大器的两个引脚连接;第一分压电阻和第二分压电阻的一端分别火线和零线连接，另一端并联连接到第一差分放大器，第一分压电阻和第二分压电阻的输出接入到差分放大器;第一旁路滤波电容和第三旁路滤波电容分别并联接到到第一差分放大器的负、正电源端;第一滤波电阻的一端与第一差分放大器连接，另一端与第一滤波电容并接，并联端接电压信号调理电路的输出，输出直接与模数转换模块连接； 所述电流信号调理电路包括检流电阻、第二差分放大器、第二比例电阻、第二滤波电阻、第二滤波电容、第二旁路滤波电容和第四旁路滤波电容;检流电阻串接在零线上，检流电阻两端分别通过接线与第二差分放大器两个接线端连接，第二比例电阻的两端分别与第二差分放大器的两个引脚连接;第二旁路滤波电容和第四旁路滤波电容分别并联到第二差分放大器的负、正电源端;第二滤波电阻的一端与第二差分放大器连接，另一端与第二滤波电容并接，并联端与压信号调理电路的输出连接，输出与模数转换模块连接。2.根据权利要求1所述的基于DSP的家庭智能用电控制终端，其特征在于:所述中央处理单元是以DSP为核心的控制器，选用C2000系统数字信号处理器TMS320F28035芯片或TMS320F28027芯片。3.根据权利要求1所述的基于DSP的家庭智能用电控制终端，其特征在于:所述Wifi通信模块选用基于工业级无线通信芯片CC3200的集成通信模块。4.根据权利要求1所述的基于DSP的家庭智能用电控制终端，其特征在于:所述Flash存储模块主要由AT25FS040芯片构成。5.根据权利要求1所述的基于DSP的家庭智能用电控制终端，其特征在于:所述开关模块选择具有16A开断能力的HFE20-1-5-1HST-L1继电器。6.根据权利要求1所述的基于DSP的家庭智能用电控制终端，其特征在于:所述模数转换模块主要由集成模数转换芯片MAXl 321构成。7.根据权利要求1所述的基于DSP的家庭智能用电控制终端，其特征在于:所述第一差分放大器和第二差分放大器采用INAl 28高精度仪表放大器。
【文档编号】G05B19/042GK205540092SQ201620067334
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月22日
【发明人】余涛, 徐茂鑫
【申请人】华南理工大学