摘要：为满意智能开关在大型公共修建物智能用电体系中的功用需求，规划了依据CC1101无线通讯模块的智能开关，介绍了各组成部分的电路原理，使用STC单片机全球仅有ID研讨了一种简略有用的无线组网办法，并具体介绍了电量计量芯片RN8209G的校准办法。
关键词：智能开关;CC1101;STC15W204S;RN8209G
导言
现在，据国家有关部门核算，国家机关办公修建和大型公共修建每平方米修建面积年平均耗电量为85.4度(年平均85.4 kWh/m2)，约占全国乡镇总耗电量的22%，每平方米耗电量是一般居民的10～20倍，是欧洲、日本等发达国家同类修建的1.5～2倍。
一方面，我国大型公共修建用电巨大，另一方面，也缺少直接数据为用电节能决议计划的拟定供给参阅。为此，国务院令第531号《公共组织节能法令》第14条明确指出：公共组织应当实施动力消费计量准则，区分用能品种，用能体系实施动力消费分户、分类、分项计量，并对动力消耗状况实施监测，及时发现、纠正用能糟蹋现象。江苏、上海等当地别离推出苏建科[2007]217号文《江苏省公共修建用能计量规划规则》和沪建交[2008]828号文《关于进一步加强本市民用修建设备专业节能规划技术办理的告诉》，进一步明确提出对首要用电设备分项计量，对办公楼、商场、宿舍等应计量到经济核算单元，对医疗病房、宾馆客房、校园教室应按楼层或功用分区计量等。
由此可见，大型公共修建实施电能分项计量办理，可及时发现、纠正用电糟蹋，并为修建节能查核供给依据。为此，本文提出了一种本钱低价、作业牢靠的依据 CC1101无线模块的智能开关，组网简略，能够完结电压、电流、有功功率、无线过载维护、功功率、电量等信息的计量与数据上报，以及具有守时通断、状况提示等功用，为电能分项计量办理供给了一种终端设备。
1 大型修建物智能用电体系的拓扑结构
智能用电体系以核算机、通讯设备、现场电力外表计量设备为根本东西，为实时数据收集、长途办理与操控供给了根底渠道。该体系首要选用分层分布式核算机网络结构，分为监控办理层、网络通讯层和现场设备层。监控办理层包含一台监控核算机以及移动监控客户端;网络通讯层包含房间操控器、智能网关;现场设备层首要包含环境参数传感器(温湿度、光照、有害气体等传感器设备)、智能开关、智能插座、房间总电量传感器。智能用电体系的整体框图如图1所示。
房间操控器是房间内一切收集操控设备和上层网络之间通讯的桥梁，担任所统辖模块的数据汇总上传和上行指令的下发;智能网关是房间无线传感网络与LAN网络树立衔接的桥梁，完结无线数据与网络数据的双向转化;监控中心能够拟定相应的用电战略来办理整个修建的用电状况，一起，数据能够经过LAN总线经过路由器发布到Internet上，用户即可经过移动监控客户端登陆网络，获取修建物内的环境信息及用电信息，完结用电的智能化。
2 智能开关规划方案
为了满意智能开关在大型公共修建物智能用电体系中的功用需求，智能开关除了保存传统的手动操控功用以外，还需求长途操控、电量计量、数据上传等功用。
2.1 智能开关结构框图
智能开关结构框图如图2所示，包含电源模块、主MCU、副MCU、无线通讯模块、电能计量模块、继电器模块、按键等。
2.2 电源模块规划
因为智能开关装置办法为86式，电路板的空间非常有限，为减小电路板面积，电路电源模块选用广州禹舜公司出产的YS-5V600MA阻隔式开关电源，与一般的稳压电源比较，该开关电源具有体积细巧、电磁兼容性好、输出纹波噪声小、准确稳压及瞬变呼应快等长处，一起具有温度维护、过流维护及短路维护等功用。三端稳压器LD1117及其外围%&&&&&%构成DC 5 V/DC 3.3 V转化电路，以满意规划要求。其原理图如图3所示。
2.3 电量收集模块规划
电量收集模块选用RN8209G电量计量芯片，外围电路简略，支撑IEC62053—22：2003规范，能够收集单相电路的电压、电流、有功功率、无功功率、电量等参数。有功、无功电能脉冲别离从PF、QF引脚输出，便利校表时与规范表进行衔接，并支撑全数字的增益、相位和offset校对，可支撑 SPI接口与处理器通讯，具有体积小、精度高、功用强等长处。其原理图如图4所示。
电压收集是从零线和前方之间串接3个330 kΩ的电阻和一个1 kΩ的电阻，1 kΩ电阻分得的电压输入到电压通道的正模仿输入引脚，电压通道的负模仿引脚经过1 kΩ电阻与前方相连，经过RN8209G内部收集与核算得到电压参量并存放在电压有用值寄存器中，MCU读取电压参量后，经过数据处理能够得到电压值。
电流收集是将2 mΩ锰铜分流器串接在供电回路中，当灯具作业时，锰铜分流器两头便发生细小的压降，分流器两头经过1 kΩ电阻器输入到A路电流通道中，RN8209G经过内部收集与核算得到电流参量并存放在电流有用值寄存器中，MCU读取电流参量并经过处理便可得到电流值。
2.4 继电器模块规划
智能开关选用电磁继电器操控电路的通断，智能开关的最大负载能够到达10 A，能够有用地操控各种照明设备，电路图如图5所示。
2. 5 无线通讯模块规划
无线通讯模块选用CC1101模块，作业频段为433 MHz。与WiFi、ZigBee、蓝牙等无线通讯模块比较，CC1101具有价格低、传输间隔远、可操作性强等长处。
无线通讯模块的中心芯片是TI公司出产的高功用CC1101芯片，具有功耗低、本钱低、作业安稳等长处。其内部集成了一个高度可装备的调制解调器，支撑不同的调制格局，其数据传输率可达500kbps。经过敞开集成的调制解调器上的前向差错校对选项，能使功用得到提高。
因为CC1101的通讯端口为SPI口，通讯时会占用许多资源，又因为其信息传达办法为播送形式，当通讯数据量较大时主MCU作业量较大，所以参加一片 STC15W204S单片机，担任CC1101的SPI端口数据与主板单片机串口之间的信息转发与预处理。别的，能够使用STC15W204S单片机具有全球仅有ID的特性来规划无线组网办法。
3 智能开关组网及通讯牢靠性规划
3.1 智能开关组网规划
使用STC15W204S单片机具有全球仅有ID的特性来规划组网办法，其组网流程分为以下过程：
①初次上电后，主板单片机向STC15W204S单片机发送索要ID指令，单片机回来ID后主板单片机将ID号保存在EEPROM中，作为自身的ID。
②按下主板上的登陆按键，主板单片机宣布带有ID信息和设备信息的登录恳求指令，经过CC1101播送出去，房间操控器收到此信息后将其记载下来，并记载其方位。
③房间操控器保存成功后，回来带有此设备信息的登录成功指令，智能开关收到此指令后便知已成功入网。
④房间操控器将此设备信息经过智能网关上传至网络，监控中心便可长途操作此智能开关。
3.2 通讯牢靠性规划
因为体系终端节点数量巨大，为防止无线信道数据抵触，数据上传办法规划为轮询办法，可是轮询间隔不能过长，不然信息上传过慢，会影响实时性。假如轮询时仍为播送形式，主MCU便会一向收到查询指令，但大部分都不是本体的有用指令。为了减轻主MCU的运转担负，确保体系的安稳作业，在规划上参加信息挑选程序，即经过副MCU进行一次数据挑选。挑选流程分为以下过程：
①副MCU从CC1101中读取一组数据帧。
②判别此数据帧中的ID信息是否与自身ID信息相同。
③假如ID信息相同，则将此数据帧发送给主MCU;假如不同，则将此数据帧删去，不做任何处理。
4 智能开关的校准
校准是使用规范电能表，将有功/无功用量脉冲PF/QF经过光耦直接衔接到规范表上，然后依据规范电能表的差错读数对RN8209G进行校对。经过校对后，智能开关的电压、电流、功率丈量精度均可到达0.5 s级。
经过规范电能表对RN8209G计量模块进行校表的流程如图6所示。
4.1 参数设置
参数设置首要包含：B通道ADCON设置、ADC增益挑选、HFConst设置、起动电流设置、能量累加形式设置、其他参数设置。
无需考虑防窃电功用，因而不需向B通道输入电流信息，可设置ADCON，封闭B通道，ADC增益挑选默许增益。
RN8209外部晶振为3.579 545 MHz，HFConst的核算公式如下：
式中，Vu为电压通道的电压，经220 V分压后得到，本规划中为222 mV左右;Vi为额外电流输入时电流通道的电压，在本规划中为32 mV;Un是输入电压220 V;Ib是额外电流10 A;EC为电表常数，设定为1 600 IMP/KWH。
其他设置办法不再逐个赘述。
4.2 有功校对
有功校对包含功率增益校对和相位校对。
功率增益校对可经过装备GPQA寄存器完结。在进行功率增益校对时，将规范表设置为100%Ib，PF=1L，读出差错为ERR，Pgain可经过下式核算：
相位校对可经过装备PHSA寄存器完结。在进行相位校对时，将规范表设置为100%Ib，PF=0.5L，读出差错为ERR，经过下式核算PHSA：
假如PHSA>0，校对值是将PHSA取整;假如PHSA0，校对值是PHSA+28后取整。
4.3 有用值校对
有用值校对包含电流offset校对、额外电流校对、额外电压校对，具体办法不再赘述。
结语
智能开关的测验首要有两个方面：无线数据收发间隔测验和电参量准确度测验。将智能开关接入照明回路中上电运转，经过组网后，监控中心便可查询此开关的计量参数，完结计量功用。
经过测验，智能开关能够有用地进行组网，经过接纳监控中心的指令来操控灯具的亮灭，当数据传输率为9 600 bps和发射功率为10 dBm时，空旷地有用通讯间隔可达400 m，室内测验可穿透两层实体墙，并可将计量的电压、电流、功率等参数上传至网络。各电参量丈量精度均可到达0.5S级。
试验结果表明，该智能插座具有组网简略、通讯牢靠、计量准确等特色，在实践使用中根本满意了大型公共修建物智能用电体系的需求。
