一種具有電量計量功能的無線開關(guān)及采集方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有電量計量功能的無線開關(guān)，包括供電單元、采樣單元、主控單元、通斷控制單元，供電單元輸入交流電后輸出采樣單元、主控單元及通斷控制單元的工作電壓。本發(fā)明的另一個技術(shù)方案是提供了一種上述的具有電量計量功能的無線開關(guān)的電流、功率、電量的采集方法。本發(fā)明提供的從外形上具有電量計量功能的無線開關(guān)可直接替換市面上的普通墻壁開關(guān)；從功能上，該技術(shù)不但可以實現(xiàn)普通開關(guān)的功能，而且可以對每個獨立負載回路所消耗的電量進行統(tǒng)計，無需布線就可以將測量結(jié)果送至位于遠端的能源管理平臺。
【專利說明】一種具有電量計量功能的無線開關(guān)及采集方法

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于無線網(wǎng)絡的且具有電量計量功能的開關(guān)及該開關(guān)的電量采集方法，屬于電氣控制【技術(shù)領域】。

【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)是最常用的燈光和電器通斷控制類產(chǎn)品，以節(jié)能為趨勢發(fā)展的背景下，對照明和電器的信息化、網(wǎng)絡化能耗統(tǒng)計提出了更高要求。目前市面上已有的便攜式計量插座、墻壁式計量插座、計量拖線板、電表等計量設備，都需要串聯(lián)在控制回路上，不但造價成本高、施工布線也帶來不便。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種同時具備電量計量和開關(guān)控制能力的裝置。本發(fā)明的另一個目的是提供一種利用上述裝置進行電量采集的方法。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明的一個技術(shù)方案是提供了一種具有電量計量功能的無線開關(guān)，包括供電單元、采樣單元、主控單元、通斷控制單元，供電單元輸入交流電后輸出采樣單元、主控單元及通斷控制單元的工作電壓，其特征在于:
[0005]η個負載經(jīng)由通斷控制單元與輸入交流電形成η路并聯(lián)的工作回路，由主控單元輸出驅(qū)動信號控制通斷控制單元動作，從而使得η路工作回路各自獨立地導通或斷開，其中，η彡2 ;
[0006]采樣單元包括η路電流采樣回路及一路電壓采樣回路，η路電流采樣回路與η路工作回路一一對應，主控單元通過第i路采樣回路以固定時間間隔周期性地采樣得到第i路工作回路導通后的電流瞬時采樣數(shù)據(jù)，即得到第i個負載的電流瞬時采樣數(shù)據(jù)，i = 1，…，η;主控單元通過電壓采樣回路以固定時間間隔周期性地采樣得到輸入交流電的電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)；
[0007]主控單元根據(jù)采樣得到的電流瞬時采樣數(shù)據(jù)及電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)至少計算得到每個負載的瞬時功率、有功功率及電量，將電流瞬時采樣數(shù)據(jù)和/或電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)和/或瞬時功率和/或有功功率和/或電量作為第i個負載的電能參數(shù)通過有線網(wǎng)絡或無線網(wǎng)絡上傳給加入同一網(wǎng)絡的遠端設備；主控單元或根據(jù)遠端設備的指令或根據(jù)本機的指令控制通斷控制單元動作。
[0008]優(yōu)選地，所述通斷控制單元包括η個繼電器，η個負載分別經(jīng)由η個繼電器與輸入交流電形成η路并聯(lián)的工作回路；由所述主控單元輸出繼電器驅(qū)動信號控制η個繼電器獨立動作。
[0009]優(yōu)選地，第i路所述電流采樣回路包括串接入第i路工作回路的電流采樣電阻及電流采樣調(diào)理回路，在電流采樣電阻兩端形成一個幅值與第i個負載的負載電流成比例關(guān)系的電流采樣信號，該電流采樣信號以差分方式送入電流采樣調(diào)理回路，由電流采樣調(diào)理回路向所述主控單元輸出第i個負載的帶有相位標志正負方向的電流瞬時采樣數(shù)據(jù)。
[0010]優(yōu)選地，所述電壓采樣回路包括與所述工作回路并聯(lián)的電壓采樣電阻，將通過電壓采樣電阻得到的電壓采樣信號以差分方式送入電壓采樣調(diào)理回路，由電壓采樣調(diào)理回路向所述主控單元輸出帶有相位標志正負方向的電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)。
[0011]優(yōu)選地，所述主控單元包括接入有線網(wǎng)絡或無線網(wǎng)絡的MCU，MCU的GP1 口與所述通斷控制單元相連，MCU的A/D轉(zhuǎn)換口與所述電流采樣回路及所述電壓采樣回路的輸出端相連，MCU還連接用于實現(xiàn)人機交互的觸摸屏回路。
[0012]本發(fā)明的另一個技術(shù)方案是提供了一種上述的具有電量計量功能的無線開關(guān)的電流、功率、電量的采集方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0013]第一步、由主控單元獲取與電網(wǎng)同頻同相的過零標志位，該過零標志位即為過零同步信號；
[0014]第二步、主控單元經(jīng)由所述電壓采樣回路得到兩個過零標志位之間的電壓采樣信號，從而得到帶有相位標志正負方向的電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)，將各個電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)存入電壓隊列數(shù)組中；主控單元經(jīng)由所述電流采樣回路得到兩個過零標志位之間的電流采樣信號，從而得到每個負載的帶有相位標志正負方向的電流瞬時采樣數(shù)據(jù)，將第i個負載的各個電流瞬時采樣數(shù)據(jù)存入與其對應的第i個負載的電流隊列數(shù)組中；
[0015]第三步、將每個負載所對應的電流隊列數(shù)組的數(shù)據(jù)與電壓隊列數(shù)值的數(shù)據(jù)對號相乘，得到每個負載所對應的功率數(shù)據(jù)并存入與當前負載對應的功率隊列數(shù)組中，舍棄每個功率隊列數(shù)組中負號的功率數(shù)據(jù)后，積分換算后得到每個負載的有功功率；
[0016]第四步、將第i個負載在固定時長T內(nèi)的所有有功功率進行累加計量得到電量中間數(shù)據(jù)，再將電量中間數(shù)據(jù)乘以換算系數(shù)后得到第i個負載的電量，換算系數(shù)為固定時長T換算為一小時所需乘以的系數(shù)。
[0017]優(yōu)選地，在所述第四步后還包括:
[0018]第五步、主控單元將電流瞬時采樣數(shù)據(jù)和/或電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)和/或瞬時功率和/或有功功率和/或電量作為每個負載的電能參數(shù)通過有線網(wǎng)絡或無線網(wǎng)絡上傳給加入同一網(wǎng)絡的遠端設備；
[0019]第六步、用戶通過遠端設備讀取每個負載的電能參數(shù)，根據(jù)該電能參數(shù)通過遠端設備向所述主控單元發(fā)出指令，由所述主控單元根據(jù)接收到的指令控制通斷控制單元動作，使得η路工作回路中的至少任意一路工作回路按照指令的要求導通或斷開。
[0020]本發(fā)明提供的從外形上具有電量計量功能的無線開關(guān)可直接替換市面上的普通墻壁開關(guān)；從功能上，該技術(shù)不但可以實現(xiàn)普通開關(guān)的功能，而且可以對每個獨立負載回路所消耗的電量進行統(tǒng)計，無需布線就可以將測量結(jié)果送至位于遠端的能源管理平臺。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明提供的一種具有電量計量功能的無線開關(guān)的原理圖。

【具體實施方式】
[0022]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
[0023]結(jié)合圖1，本實施例公開的一種具有電量計量功能的無線開關(guān)，包括供電單元1、采樣單元2、主控單元3及通斷控制單元4。
[0024]供電單元I通過L、N端子接入220V交流電，L端子作為整體的電路參考零電位。在供電單元I內(nèi)，220V交流電先經(jīng)半波整流，再經(jīng)AC-DC電源穩(wěn)壓后，輸出5V直流電和3.3V直流電。其中，5V直流電供給通斷控制單元4使用，3.3V直流電則供給采樣單元2和主控單元3使用。
[0025]在本實施例中，共有η個負載,即負載I,...,負載η。負載I,…，負載η的一端接入N端子，另一端與通斷控制單元4相連。在本實施例中，通斷控制單元4包括η個繼電器，即繼電器401,...,繼電器40η, η個繼電器與η個負載對應，每個負載的另一端均連接一個繼電器。由主控單元3控制各個繼電器獨立地打開與閉合。每個繼電器串接一個電流采樣電阻后均與L端子相連，從而形成一路工作回路，通過繼電器的打開與閉合，使得相對應的工作回路截止或?qū)ā?br> [0026]電流采樣電阻為采樣單元2的一部分，采樣單元2包括η路電流采樣回路及一路電壓采樣回路。每路電流采樣回路包括一個電流采樣電阻，共有η個電流采樣電阻，即電流采樣電阻201，…，電流采樣電阻20η。每路電流采樣回路還包括電流采樣調(diào)理回路，在每個電流采樣電阻兩端形成一個幅值與當前電流采樣電阻所對應的負載的負載電流成比例關(guān)系的電流采樣信號，該電流采樣信號以差分方式送入當前電流采樣調(diào)理回路，由電流采樣調(diào)理回路向主控單元3輸出當前負載的帶有相位標志正負方向的電流瞬時采樣數(shù)據(jù)ASl, —, ASn0
[0027]電壓采樣回路包括電壓采樣電阻200，采樣電阻200的兩端分別與L、N端子相連，將通過電壓采樣電阻得到的電壓采樣信號以差分方式送入電壓采樣調(diào)理回路211，由電壓采樣調(diào)理回路211向主控單元3輸出帶有相位標志正負方向的電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)VS0。
[0028]主控單元3包括MCU301，MCU301至少向外擴展有GP1 口、A/D轉(zhuǎn)換口、I2C接口及RF接口。MCU301的GP1 口與通斷控制單元4中的繼電器401，…，繼電器40η相連。MCU301的A/D轉(zhuǎn)換口與電流采樣回路及電壓采樣回路的輸出端相連。MCU301還通過I2C接口連接用于實現(xiàn)人機交互的觸摸屏回路302。MCU301經(jīng)由RF接口連接天線后接入相應的無線網(wǎng)絡，在本實施例中，該無線網(wǎng)絡采用ZigBee無線網(wǎng)絡。
[0029]本實施例還公開了一種采用上述的具有電量計量功能的無線開關(guān)的電流、功率、電量的采集方法，其步驟為:
[0030]第一步、由主控單元3獲取與電網(wǎng)同頻同相的過零標志位，該過零標志位即為過零同步信號。MCU在進行數(shù)據(jù)處理后，可得到一個與電網(wǎng)同頻同相的過零標志位，該過零標志位即為過零同步信號。過零標志由MCU內(nèi)部的ADC數(shù)據(jù)采樣后得到。兩個過零標志位之間的計時長度即為頻率。該頻率與所接電網(wǎng)頻率相同。
[0031]第二步、主控單元3經(jīng)由電壓采樣回路得到兩個過零標志位之間的電壓采樣信號，從而得到帶有相位標志正負方向的電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)，將各個電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)存入電壓隊列數(shù)組中；主控單元3經(jīng)由所述電流采樣回路得到兩個過零標志位之間的電流采樣信號，從而得到每個負載的帶有相位標志正負方向的電流瞬時采樣數(shù)據(jù)，將第i個負載的各個電流瞬時采樣數(shù)據(jù)存入與其對應的第i個負載的電流隊列數(shù)組中。
[0032]將電壓的、電流的隊列數(shù)組中的瞬時值數(shù)據(jù)做積分換算。同理將瞬時功率的隊列數(shù)組的數(shù)據(jù)做積分換算得到有功功率。
[0033]第三步、將每個負載所對應的電流隊列數(shù)組的數(shù)據(jù)與電壓隊列數(shù)值的數(shù)據(jù)對號相乘，得到每個負載所對應的功率數(shù)據(jù)并存入與當前負載對應的功率隊列數(shù)組中，舍棄每個功率隊列數(shù)組中負號的功率數(shù)據(jù)后，積分換算后得到每個負載的有功功率；
[0034]第四步、將第i個負載在Is內(nèi)的所有有功功率進行累加計量得到電量中間數(shù)據(jù)，再將電量中間數(shù)據(jù)乘以換算系數(shù)后得到第i個負載的電量，換算系數(shù)為Is換算為一小時所需乘以的系數(shù)，即3600。
[0035]主控單元3將電流瞬時采樣數(shù)據(jù)和/或電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)和/或瞬時功率和/或有功功率和/或電量作為每個負載的電能參數(shù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡上傳給加入同一網(wǎng)絡的遠端設備。
[0036]第六步、用戶通過遠端設備讀取每個負載的電能參數(shù)，根據(jù)該電能參數(shù)通過遠端設備向所述主控單元3發(fā)出指令，由所述主控單元3根據(jù)接收到的指令控制通斷控制單元4動作，使得η路工作回路中的至少任意一路工作回路按照指令的要求導通或斷開。
【權(quán)利要求】
1.一種具有電量計量功能的無線開關(guān)，包括供電單元(I)、采樣單元(2)、主控單元(3)、通斷控制單元(4)，供電單元(I)輸入交流電后輸出采樣單元(2)、主控單元(3)及通斷控制單元(4)的工作電壓，其特征在于: η個負載經(jīng)由通斷控制單元(4)與輸入交流電形成η路并聯(lián)的工作回路，由主控單元(3)輸出驅(qū)動信號控制通斷控制單元(4)動作，從而使得η路工作回路各自獨立地導通或斷開，其中，η彡2 ； 采樣單元(2)包括η路電流采樣回路及一路電壓采樣回路，η路電流采樣回路與η路工作回路一一對應，主控單元(3)通過第i路采樣回路以固定時間間隔周期性地采樣得到第i路工作回路導通后的電流瞬時采樣數(shù)據(jù)，即得到第i個負載的電流瞬時采樣數(shù)據(jù)，i =1，…，η ;主控單元(3)通過電壓采樣回路以固定時間間隔周期性地采樣得到輸入交流電的電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)； 主控單元(3)根據(jù)采樣得到的電流瞬時采樣數(shù)據(jù)及電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)至少計算得到每個負載的瞬時功率、有功功率及電量，將電流瞬時采樣數(shù)據(jù)和/或電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)和/或瞬時功率和/或有功功率和/或電量作為第i個負載的電能參數(shù)通過有線網(wǎng)絡或無線網(wǎng)絡上傳給加入同一網(wǎng)絡的遠端設備；主控單元(3)或根據(jù)遠端設備的指令或根據(jù)本機的指令控制通斷控制單元(4)動作。
2.如權(quán)利要求1所述的一種具有電量計量功能的無線開關(guān)，其特征在于:所述通斷控制單元(4)包括η個繼電器，η個負載分別經(jīng)由η個繼電器與輸入交流電形成η路并聯(lián)的工作回路；由所述主控單元(3)輸出繼電器驅(qū)動信號控制η個繼電器獨立動作。
3.如權(quán)利要求1所述的一種具有電量計量功能的無線開關(guān)，其特征在于:第i路所述電流采樣回路包括串接入第i路工作回路的電流采樣電阻及電流采樣調(diào)理回路，在電流采樣電阻兩端形成一個幅值與第i個負載的負載電流成比例關(guān)系的電流采樣信號，該電流采樣信號以差分方式送入電流采樣調(diào)理回路，由電流采樣調(diào)理回路向所述主控單元(3)輸出第i個負載的帶有相位標志正負方向的電流瞬時采樣數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種具有電量計量功能的無線開關(guān)，其特征在于:所述電壓采樣回路包括與所述工作回路并聯(lián)的電壓采樣電阻，將通過電壓采樣電阻得到的電壓采樣信號以差分方式送入電壓采樣調(diào)理回路(211)，由電壓采樣調(diào)理回路(211)向所述主控單元(3)輸出帶有相位標志正負方向的電壓瞬時米樣數(shù)據(jù)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種具有電量計量功能的無線開關(guān)，其特征在于:所述主控單元(3)包括接入有線網(wǎng)絡或無線網(wǎng)絡的MCU (301)，MCU (301)的GP1 口與所述通斷控制單元(4)相連，MCU(301)的A/D轉(zhuǎn)換口與所述電流采樣回路及所述電壓采樣回路的輸出端相連，MCU(301)還連接用于實現(xiàn)人機交互的觸摸屏回路(302)。
6.一種如權(quán)利要求1所述的具有電量計量功能的無線開關(guān)的電流、功率、電量的采集方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步、由主控單元(3)獲取與電網(wǎng)同頻同相的過零標志位，該過零標志位即為過零同步信號； 第二步、主控單元(3)經(jīng)由所述電壓采樣回路得到兩個過零標志位之間的電壓采樣信號，從而得到帶有相位標志正負方向的電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)，將各個電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)存入電壓隊列數(shù)組中；主控單元(3)經(jīng)由所述電流采樣回路得到兩個過零標志位之間的電流采樣信號，從而得到每個負載的帶有相位標志正負方向的電流瞬時采樣數(shù)據(jù)，將第i個負載的各個電流瞬時采樣數(shù)據(jù)存入與其對應的第i個負載的電流隊列數(shù)組中； 第三步、將每個負載所對應的電流隊列數(shù)組的數(shù)據(jù)與電壓隊列數(shù)值的數(shù)據(jù)對號相乘，得到每個負載所對應的功率數(shù)據(jù)并存入與當前負載對應的功率隊列數(shù)組中，舍棄每個功率隊列數(shù)組中負號的功率數(shù)據(jù)后，積分換算后得到每個負載的有功功率； 第四步、將第i個負載在固定時長T內(nèi)的所有有功功率進行累加計量得到電量中間數(shù)據(jù)，再將電量中間數(shù)據(jù)乘以換算系數(shù)后得到第i個負載的電量，換算系數(shù)為固定時長T換算為一小時所需乘以的系數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的一種采集方法，其特征在于，在所述第四步后還包括: 第五步、主控單元(3)將電流瞬時采樣數(shù)據(jù)和/或電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)和/或瞬時功率和/或有功功率和/或電量作為每個負載的電能參數(shù)通過有線網(wǎng)絡或無線網(wǎng)絡上傳給加入同一網(wǎng)絡的遠端設備； 第六步、用戶通過遠端設備讀取每個負載的電能參數(shù)，根據(jù)該電能參數(shù)通過遠端設備向所述主控單元(3)發(fā)出指令，由所述主控單元(3)根據(jù)接收到的指令控制通斷控制單元(4)動作，使得η路工作回路中的至少任意一路工作回路按照指令的要求導通或斷開。
【文檔編號】G01R22/10GK104200635SQ201410482822
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】奚培鋒, 劉俊, 聶佳, 顧雙玲, 江浩 申請人:上海電器科學研究院, 上海電器科學研究所（集團）有限公司