基于实验室用电安全的智能无线控制电源插座设计

唐英姿, 蒋 峰

(1.广西师范学院 职业技术教育学院，南宁 530001;2.中南林业科技大学 计算机与信息工程学院,长沙 410004)

基于实验室用电安全的智能无线控制电源插座设计

唐英姿1, 蒋 峰2

(1.广西师范学院 职业技术教育学院，南宁 530001;2.中南林业科技大学 计算机与信息工程学院,长沙 410004)

为保证实验室的用电安全，解决传统电源插座智能化不足的缺点，防止火灾发生，做到实验室的全开放，文中设计了一种智能无线控制电源插座。该智能无线控制电源插座，选用高速单片机为主控器件，通过电流传感电路、温度测量电路、功率测量电路等模块对实验室电源插座的供电状况进行实时在线监测和保护，并利用其内部的GSM通信模块实现与实验室管理人员手持终端之间的无线短信通信，实现实验室管理人员对插座的远程监测，最终到达安全用电的目的。实验表明，所设计的智能无线控制电源插座能够实现过流(10 A)、过压(250 V)、过热(50 ℃)以及功率保护(2 500 W)，且能实现无线通断控制以及保护阈值的初值设置，并能进行语音报警提示，保证开放实验室的用电安全。

智能插座； 无线控制； 功率测量； 过流保护; 实验室用电安全

0 引 言

随着我国高校扩招，在校学生数量不断增多，为不断提高在校学生的培养质量，面对前所未有的机遇和挑战，特别是对以培养“应用型人才”为目标的普通本科学院而言，加强学生实践能力的培养刻不容缓。培养学生的实践能力，实验室的作用不言而喻。为将有限的实验室最大限度的利用起来，开放性实验室的管理方法应运而生。然而，开放实验室的管理主要以学生自主管理为主，由于学生缺乏必要的安全意识以及学生的自由进出也难以管理，最近常有实验室出现火灾、爆炸等安全事故的报道。对于电子信息类专业学生而言，实验室的安全问题主要是插座用电引起的电火灾，此问题严重危害学生的生命安全[1]。

通常情况下，实验室的电源插座选用的是普通的电气插座，不能提供用电的安全保护。为此，提出一种智能无线控制电源插座的设计方案[2-4]，用于保护学生实验室的用电环境，杜绝实验室火灾发生，为实验室的开放管理提供安全保障。

1 智能无线控制电源插座的总体设计方案

目前，实现无线通信的方式有蓝牙、红外、Zigbee、WiFi以及GSM技术等。蓝牙、红外通信距离近，Zigbee以及WiFi技术实现远程通信的方案复杂，设计成本高。文中根据实验室用智能无线控制电源插座远程无线简单控制的实际情况，考虑到通信距离、设计成本等因素，选择GSM通信方式来实现。

从用电安全角度出发，实验室用智能无线控制电源插座应具备[5-8]：过流保护、过压保护、功率保护、温度报警以及无线控制等功能。当插座接插用电设备后，将有电流输出，这时电流传感器开始工作，采集电源插座输出电流；如果电源插座所接用电设备过多时，将出现电流以及功率过大的情况，则启动保护电路断开输出。而当电压波动较大，超出15%时，也会启动保护电路断开输出。当插座输出电压、电流以及功率正常，但是由于其工作时间较长，引起温度升高而超出设定值时，其内部温度采集电路将启动保护电路断开输出，防止火灾发生。当该插座保护电路工作时，还将启动语音报警，并通过GSM短信方式发送给实验室的主管教师和PC机监控终端。此外，为方便对插座的开关控制，也可以通过无线方式控制其通断。根据智能无线控制电源插座的功能描述[9-10]，其总体设计思路如图1所示。

2 智能无线控制电源插座的硬件设计

图1 智能无线控制电源插座的整体组成框图

设计中，控制器选用单片机STC15W4K58S4，温度传感器选用LM75A，电流传感器选用ASC712，功率采集选用专用电能测量芯片ADE7755，继电器选用固态继电器SRD-05VDC-SL-C，无线通信选用GSM 模块——GTM900C，温度语音报警选用语音芯片YF017实现。

2.1温度采集电路设计

温度传感器选用LM75A，LM75A是内置了一个带隙温度传感器和一个D/A转换器的数字传感器。控制器通过I2C总线与其进行通信。为实现多点温度测量，LM75A还提供了3个可选的逻辑地址管脚，通过对这3个管脚的编程可以实现同一总线上同时连接8个器件而不出现地址冲突。其温度采集电路见图2。

图2 温度采集电路

为防止I2C总线信号混乱，由于LM75A连接到总线是集电极开路输出或开漏输出的结构，故要在SDA与SCL引脚上外接上拉电阻。设计中LM75A只需要用1个，所以逻辑地址管脚A2、A1、A0选用最简单的方式——全部接地。

2.2电流采集电路设计

电流传感器选用ASC712，它是一个将电流转换成电压的器件。其输出电压与输入电流的关系为：

Uout=2.5+0.185Ip

(1)

即没有输入电流的时候，对应输出电压为2.5 V，精确度为185 mV/A。其电路如图3所示。

图3中P+、P-分别为用电流传感器的电流输入输出端，经过该电流传感器的转换，由7端输出电压，然后经过A/D采样芯片——12位的串行输入芯片MAX1224进行采样处理。

图3 电流传感器连线图

2.3功率采集电路的设计

电能测量芯片ADE7755是一种单电源、低功耗的高精度电能测量集成芯片。其内部主要由16位二阶∑-ΔA/D转换器、信号处理电路、数字—频率转换电路、基准电路、电源监控电路、低通、高通滤波器电路和可编程增益放大器电路等组成。16位二阶∑-ΔA/D转换器中用于采集模拟电流、电压信号，并将其转换成数字信号，然后数字信号经过高通滤波电路，滤除信号中的直流分量，再将两通道分别转换后的电压、电流直接相乘，从而计算出其瞬时功率，再对其进行低通滤波，最终得到有功功率分量(直流分量)[11-12]，将该功率分量经过D/F转换后，从CF脚输出与有功功率成正比的高频脉冲信号。然后，将该信号经光电耦合器TLP521-4隔离后输出，送入到单片机的T0端，其测量电路如图4所示。

图4 ADE7755功率采集电路

设计时需注意：为了降低电源的纹波和噪声干扰，DVDD、AVDDREFIN/OUT都需要添加10 μF电容并联100 nF瓷介电容进行去耦。对于CF的输出频率还需要用频率计数器进一步平均，以消除纹波。ADE7755对人体的ESD(静电放电)敏感，故应该采取静电放电措施进行芯片的保护，防止芯片损坏。

2.4温度语音报警模块

温度语音报警选用语音芯片YF017。YF017芯片内置电阻，只有3个IO口，外部仅需要接一个瓷片电容就可以稳定的工作。控制器的一个IO引脚最多可控制存储在YF017内的32段声音的任意调用和组合。其声音的调用由DATA引脚上输入的脉冲个数确定。如：需要播放第18段录音时，控制器首先发送一个脉冲(脉宽大于0.2 ms即可，建议采用1 ms左右)到RST脚，对YF017进行复位；接着连续输出18个脉冲到DATA引脚，则YF017马上工作，播放第18段的录音。YF017芯片录音地址内容如表1所示。

根据表1可知，要实现温度的语音播放报警，只需按照顺序选择地址23、1～10(根据温度实际选取)、13、1～10、20即可。YF017芯片与控制器的接口电路如图5所示。

表1 YF017语音芯片录音地址内容表

2.5GSM通信模块的电路设计

为实现远程无线通信，考虑到设计周期和制作成本，文中根据实际情况选用华为公司生产的一款两频段GSM/GPRS无线模块——GTM900C。文中GTM900C使用AT命令集，选用UART接口与控制器进行通信，实现数据的无线发送和接收。

图5 YF017芯片与控制器的接口电路

3 智能无线控制电源插座的软件设计

根据智能无线控制电源插座的功能，其控制程序包括：温度采集程序、电流采集程序、功率测量程序、GSM无线通信程序以及显示程序等。文中主要介绍功率测量程序以及GSM无线通信程序的实现过程。

3.1功率测量程序的设计

根据ADE7755的工作原理[13]，对所隔离的脉冲信号采用计数的方式进行，用内部定时器设定的积分时间对CF输出的高频脉冲进行计数，平均功率正比于平均频率：平均功率=脉冲个数/积分时间。输出频率与输入电压大小有关，由下式确定：

(2)

式中：A为分流系数(10 mΩ电阻，10 A的输入电流)，A=0.01；B为分压系数，B=R1/(R4+R1)=1 kΩ/(1 MΩ+1 kΩ)≈0.001；U为交流输入电压值。

参数G和F1～4是由引脚SCF、G1、G2、S0、S1共同确定的，在电路设计中，把SCF置为高电平，而由于倍频数的改变与F1～4改变互相抵消，S0、S1的改变对脉冲常数没有影响，故设计时取S0=1、S1=1，那么F1～4=13.6，倍频数为16，则最后的脉冲常数只与G0、G1的电平值相关，G0、G1的电平选择通过拨码开关S1、S2的通断实现。程序流程如图6所示。

3.2GSM无线通信收发程序

为实现对智能无线控制电源插座的远程无线控制，设计中依据GSM的通信原理[14-15]，利用AT命令实现短信的无线收发控制。通常情况下，GSM通信有两种工作模式：PDU模式以及TEXT(文本)模式[16]。PDU模式采用unicode编码，既可以发送英文字符，也能发送汉字，但其设计时间长、复杂，实现难度大；TEXT(文本)模式实现简单，虽只能发送英文字符，但不需要对其进行编码。因此，为简化设计难度，文中选用TEXT(文本)模式，通过命令行：AT+CMGF=1实现模式的选择。

图6 功率测量程序流程图

GSM通信实现的步骤为：①建立通信握手连接；②设置通信传输速率；③设置通信模式；④设置收发短信的短信中心码；⑤设置数据接收模式。GSM通信模块初始化程序如下[16]，程序中Send_Command()函数(发送命令函数)中的第一个参数表示AT指令码，第二个参数值表示指令码的字符长度：

void GSM_Init(void)

{

Send_Command(Command_ATE，5); //设置回显

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT，3); //建立连接

delay1(10);

Send_Command(Command_AT_IPR，12); //设置波特率=9600

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT_CMGF，10); //设置为text格式

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT_CSCA，23); //设置为短信中心号码格式

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT_CNMI，14); //设置为中断方式接收短信，

delay1(1000);

}

其短信接收流程如图7所示。

短信发送程序的代码如下：

void Send_Message(void)

{

图7 短信接收程序流程图

Send_Command(Command_AT_CMGS，20); //发送到指定号码

delay1(2000); //等待回复输入符号

Send_Command(Command_Control，33);

delay1(1000);

Send_Command(Command_AT_End，1); //发送短信结束符

delay1(100);

}

4 测试

利用所设计的样品插座，通过手机进行模拟的温度无线短信报警通信测试试验。实验时设定温度下限为25 ℃，上限为32 ℃，进行模拟温度数据GSM短信通信传输，结果如图8所示。

结果分析：

(1) 在12:36和15:35进行的两次测试，手机接收到高温报警短信。由于一直没有采取降温措施，报警一直持续，故连续收到两条相同的短信。

(2) 在21:35也进行了高温报警测试，手机同样接收到高温报警短信。之后对测试插座进行风扇降温，当插座温度降到25 ℃以下后，收到显示高温报警解除的短信。插座上液晶屏显示的报警信息也自动更新，自动解除。

5 结 语

文中所设计的智能无线控制电源插座能够实现过流、过压、过热、功率保护，且能通过手机短信实现远程无线短信的通断控制以及初值设置，并能进行语音报警提示；其过流门限值为10 A；过压保护门限值为250 V，功率保护门限值为2 500 W，温度门限设置为50℃，且其值能自由设定。该系统能够保障实验室用电的安全，防止火灾发生，为实验室的开放提供了物质基础，具有一定的应用价值。

图8 短信温度报警测试效果演示

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DesignofIntelligentWirelessControlPowerSocketfortheSecurityofLaboratory

TANGYingzi1,JIANGFeng2

(1. Institute of Vocational Eduction, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China;2. School of Computer and Information Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

In order to ensure the safe use of electricity in the laboratory, solve the shortcomings of the intelligent deficiencies in the traditional power outlet, and prevent the fire occurring and realize the open of the laboratory, this paper designs a kind of intelligent wireless power socket. The intelligent wireless power socket usesthe high-speed microcontroller as the main control device, it is composed by the current sensing circuit, temperature measurement circuit, power measurement circuit, and wireless communication circuit module to achieve real-time online monitoring and protection of power supply situation in the laboratory. It can also transmit wireless message with the handheld terminal in laboratory management by its internal GSM communication module. This socket can be monitored remotely and realized the safe use of electricity in the laboratory. Experimental results show that the design of wireless intelligent power socket can monitorover current, over voltage, over heat, over power, and can realize wireless on-off control. It can realize initial value setting and voice alarm also. This socket can realize the safe use of electricity in the laboratory and has certain application value.

intelligent socket; wireless control; power measurement; over current protection; safe use of electricity in the laboratory

TP 273

A

1006-7167(2017)09-0294-05

2016-12-15

湖南省科技计划项目经费资助(2016WK2023)；湖南省教育厅科学研究项目资助 (15B251)；中南林业科技大学引进高层次人才科研启动基金计划项目资助(104-0357)

唐英姿(1968-)，女，福建安溪人，学士，讲师，研究方向：电工电子技术、自动控制技术。Tel.：13507867297；E-mail：365276326@qq.com

蒋 峰(1976-)，男，湖南衡阳人，博士，副教授，研究方向：嵌入式系统应用、生物信息技术、物联网技术。Tel.：13723899085;E-mail：jf09mail@163.com