面向家庭局域網(wǎng)設(shè)備的新型架構(gòu)

　　摘要：在配備了能源利用領(lǐng)域的最新技術(shù)成果之后，家庭局域網(wǎng)(HAN)開(kāi)始準(zhǔn)備取代傳統(tǒng)的家電生態(tài)系統(tǒng)。本文介紹了HAN設(shè)備體系架構(gòu)，該架構(gòu)不僅與家庭局域網(wǎng)無(wú)縫集成，還可以充當(dāng)?shù)统杀镜碾姳?，監(jiān)控電氣設(shè)備的電能消耗和運(yùn)行。

　　隨著能源生產(chǎn)成本的飛速上漲，能源消耗流程的效率變得越來(lái)越重要。這在電氣設(shè)備制造和電能計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域引發(fā)了一場(chǎng)革命。家庭局域網(wǎng)(HAN)是一種先進(jìn)的電氣生態(tài)系統(tǒng)，在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，智能電表和HAN設(shè)備通過(guò)相互通信來(lái)控制電能消耗情況。 在HAN生態(tài)系統(tǒng)中，一個(gè)基本的HAN設(shè)備與電表之間建立一條雙向通信鏈路，還可選擇與其他HAN設(shè)備建立雙向通信鏈路;共享所連設(shè)備的電能消耗數(shù)據(jù)，還接收指令將未使用的設(shè)備關(guān)閉或置于休眠狀態(tài)。以下部分詳細(xì)介紹了基本HAN設(shè)備架構(gòu)的某些增強(qiáng)特性;這些特性擴(kuò)展了它的功能并豐富了特性集。

　　架構(gòu)概述

　　HAN可以被視為一種智能電源插座，一端連接普通的電源插座，另一端提供可插拔的連接接口，用于連接微波爐和空調(diào)等家用電器。它可以由電表通過(guò)RF(射頻)等無(wú)線(xiàn)接口或電線(xiàn)通信(如HomePlug)等有線(xiàn)接口直接控制。另外，其固件可以由電表通過(guò)RF/PLC接口升級(jí)。在LCD上，它可以顯示設(shè)備的各種能源參數(shù)。它還支持電池備份選項(xiàng)，可以不間斷地顯示時(shí)間和日期。圖1顯示了HAN設(shè)備的應(yīng)用圖。

　　HAN設(shè)備包括以下組件：

　　1. 一個(gè)微控制器;

　　2. 230V至3.3V轉(zhuǎn)換器;

　　3. 繼電器;

　　4. 信號(hào)調(diào)節(jié)電路;

　　5. IR接口(同時(shí)支持發(fā)送和接收);

　　6. LCD面板;

　　7. RF/電線(xiàn)通信 PHY。

　　圖2所示為以上組件的方框圖。

　　HAN設(shè)備的重要組件

　　微控制器

　　微控制器/片上系統(tǒng)在設(shè)備運(yùn)行時(shí)扮演重要角色。除了控制其他組件，它還在其內(nèi)部閃存中存儲(chǔ)應(yīng)用固件。為了支持HAN設(shè)備的各種功能，微控制器應(yīng)具有以下特性：

　　1. 低功耗處理內(nèi)核，能夠執(zhí)行能耗計(jì)算所需的復(fù)雜算術(shù)運(yùn)算;

　　2. RF PHY通信接口，或用于電線(xiàn)通信PHY的相應(yīng)接口(如果使用的話(huà));

　　3. 片上閃存和SRAM，用于存儲(chǔ)應(yīng)用固件和加快運(yùn)算;

　　4. LCD顯示器的LCD驅(qū)動(dòng);

　　5. UART等接口，可以支持紅外通信;

　　6.具有可編程增益放大器(PGA)的高分辨率ADC，用于電壓和電流測(cè)量;

　　7. 用于驅(qū)動(dòng)繼電器的I/O端口;

　　8. 用于計(jì)時(shí)的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器。

　　微控制器通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)電路和ADC、PGA感應(yīng)電壓和電流，計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)(可以是一個(gè)月或更長(zhǎng))的RMS(均方根)電壓和電流值、瞬時(shí)電量消耗和總耗電量。然后，它通過(guò)RF或電線(xiàn)通信PHY將該數(shù)據(jù)發(fā)送至電表，并將其顯示在LCD中。當(dāng)收到命令關(guān)閉設(shè)備時(shí)，它將在其I/O端口上驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的邏輯以運(yùn)行繼電器。微控制器通過(guò)230V-3.3V轉(zhuǎn)換器由電源線(xiàn)供電。該轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)微控制器的工作電壓進(jìn)行適當(dāng)配置。片上閃存固件可以通過(guò)電表的RF或PLC接口更新。協(xié)議和固件更新的準(zhǔn)確細(xì)節(jié)將取決于具體的實(shí)施。

　　信號(hào)調(diào)節(jié)

　　信號(hào)調(diào)節(jié)單元有一個(gè)模擬前端用于電壓和電流測(cè)量。線(xiàn)路電壓首先通過(guò)梯形電阻器下調(diào)，然后進(jìn)行測(cè)量，其后的DC過(guò)濾和DC偏置也采用相同方式。與電壓測(cè)量相比，電流測(cè)量所涉比較少。首先，線(xiàn)路電流使用電流轉(zhuǎn)換器調(diào)低，然后通過(guò)低阻值的高精度分流電阻傳輸。整個(gè)分流電阻的電壓降可測(cè)量出線(xiàn)路電流。因?yàn)樵撾妷航捣浅Ｐ?，所以必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤糯蟛拍莛佀椭罙DC。該放大器包括可設(shè)置的增益層級(jí)，可僅放大AC組件;從而防止放大器輸出飽和。

　　紅外線(xiàn)接口

　　紅外線(xiàn)接口可以根據(jù)范圍和功耗進(jìn)行適當(dāng)配置。該接口為HAN設(shè)備提供了遠(yuǎn)程配置支持。 它使用戶(hù)可以遠(yuǎn)程打開(kāi)/關(guān)閉與HAN設(shè)備連接的家電。協(xié)議和運(yùn)行的具體細(xì)節(jié)可以針對(duì)特定實(shí)施靈活選擇。

　　LCD面板

　　LCD面板顯示以下參數(shù)：瞬時(shí)能耗;上月/當(dāng)月的總能耗;當(dāng)日的日期和時(shí)間;RMS電壓;RMS電流。

　　LCD面板提供了一些電表顯示內(nèi)容;因此可以作為低精確度智能AC電表使用。

　　小結(jié)

　　總之，以上架構(gòu)概念化了經(jīng)濟(jì)高效且用途極為廣泛的HAN設(shè)備，它包含所有關(guān)鍵的HAN設(shè)備特性，并支持多種高級(jí)特性，例如固件升級(jí)和通過(guò)RF/PLC接口全面地控制家電;另外還可以作為低成本智能AC電表使用，提供24小時(shí)家電能耗詳細(xì)信息。盡管本文將其描述為獨(dú)立的智能電源插座，它也可以在家電內(nèi)部實(shí)施。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]Smart grid [R/OL].http://en.wikipedia.org/wiki/Smart_grid

　　[2] Smart Energy Initiative[R/OL].http://www.homeplug.org/tech/smart_energy

　　[3]Fermoso J.Smart plug could save you $150 in Electricity[R/OL].(2008-12-23).http://www.wired.com/gadgetlab/2008/12/smart-plug-powe/

　　[4]AVR465: 具有篡改檢測(cè)功能的單相功率/電表(應(yīng)用說(shuō)明)[R/OL].http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2566.pdf