基于Zigbee無線通信的智能微型斷路器的制作方法

本發明涉及一種智能微型斷路器設備，尤其涉及一種可以實現無線通信的基于Zigbee通信協議的智能微型斷路器裝置，即，基于Zigbee無線通信的智能微型斷路器裝置。

背景技術：

能源問題是制約當今國民經濟的核心問題，其中電力能源是重中之重，如何進行電力的節能問題是當今研究的核心。隨著智能電網的推廣和國家階梯電價的實行，科學用電已經越來越受到電力用戶的重視。如果能夠讓電力用戶隨時了解自己各個設備的用電量信息，那么電力用戶通過節約用電、躲避用電高峰期等方法，就可以降低供電系統負擔、保護環境、節約用電成本。

傳統的微型斷路器集控制和多種保護功能于一身，除能完成接觸和分斷電路外，還能對電路或電氣設備發生的短路、嚴重過載及欠電壓等進行保護，同時也可以用于不頻繁地啟動電動機。正是因為傳統的微型斷路器具有這么多的優點，使得它在建筑工程、工業控制等相關電氣控制領域成為不可缺少的電氣控制裝置之一。但是傳統的微型斷路器無法實時的將用戶的用電量信息及時反饋給用戶，如果用戶想要了解用電信息，需要通過查看配電箱中的電度表，這種方式操作不方便，并且造成了用戶了解用電量信息滯后，不利于節約用電和躲避用電高峰期。另外，用戶也不能遠程控制微型斷路器的斷開或者閉合，使得微型斷路器自動化程度低，不能滿足現在智能家居行業的發展要求。

智能微型斷路器是在傳統微型斷路器的基礎上發展起來的，是實現電力需求側管理的主要智能化電器設備。它除了保持傳統微型短路器的外形結構和安裝方式外，引入了微電子、通信等技術。目前市場上出現的智能微型斷路器，不但能夠采集電流、電壓或者功率等相關信息，而且還可以與用戶進行實時通信，從而使電力用戶在即使不查看電度表的情況下，也能夠掌握電力用戶自己的用電信息。但是這種智能微型斷路器主要采用RS232、RS485或RS422等有線方式進行通信，不利于節約布線空間，并且給用電安全帶來一定的隱患。

目前，常用的無線通信技術有紅外技術，藍牙技術和Wi-Fi技術，但紅外技術適用于無障礙物的短距離通信；藍牙技術在無線節點上有限，通信協議復雜；Wi-Fi技術對電子設備供電裝置要求較高，成本和功耗都比較大。ZigBee技術是一種新興的近距離、低成本、通信協議簡單的高可靠無線傳輸技術，它有特定的無線電標準，能在數千個微型傳感器之間相互協調，實現通信，適合于嵌入電子設備實現自動控制與遠程控制功能。此外，使用Zigbee進行組網也有很多優勢：首先，在節點布置上非常靈活，可以使設備放置在家居中的任何位置；其次，ZigBee組網技術允許布置6000多個節點，良好的擴展性有利于擴大網絡的覆蓋面積；最后，使用ZigBee技術更利于網絡的維護，當網絡出現問題時，可直接通過電腦或手持終端定位問題節點，如需要增加或替換節點，只需將新節點放置在需要的位置就可以了，這也是其最突出的優點。與其他常用的無線通信技術相比，ZigBee技術更適合智能家居系統的實現。

基于以上原因，本發明設計的基于Zigbee無線通信的智能微型斷路器克服了傳統微型斷路器不能實時采集電量信息并將電量信息反饋給電力用戶的缺點和目前市場上采用有線通信方式的智能微型斷路器的布線占用空間和線路過長容易引起用電安全隱患的缺點，采用了基于Zigbee通信協議的無線通信方式，能夠讓電力用戶實時掌握自己的用電信息、接收用戶的控制命令并且可以與基于Zigbee協議的家用電器設備組成智能家居系統，方便了人類的生活，提高了生活質量，使得家居生活更加方便、舒適、人性化。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提供了一種基于帶零線電流測量的單相多功能電能計量IC和內嵌有ARM Cortex-M3微控制器內核的Zigbee無線通信IC開發的智能微型斷路器的實現方案，是一種可以實現測量電力用戶有功、無功、視在功率、采樣波形及電壓、電流有效值，并將這些用電量信息通過無線Zigbee通信協議反饋給電力用戶或者通過無線Zigbee通信協議接收用戶命令以及根據當電力線路出現故障發出聲音報警的裝置，即，基于Zigbee無線通信的智能微型斷路器。

本發明的基于Zigbee無線通信的智能微型斷路器包括供電模塊、電量檢測模塊、繼電器輸出模塊、MCU控制模塊、蜂鳴器報警模塊和Zigbee無線通信模塊，所述供電模塊用于對所述電量檢測模塊、所述MCU控制模塊和所述Zigbee無線通信模塊進行供電，所述MCU控制模塊分別與電量檢測模塊、繼電器輸出模塊、蜂鳴器報警模塊和Zigbee無線通信模塊進行電路連接，所述MCU控制模塊根據所述電量檢測模塊采集的用電數據對所述繼電器輸出模塊和蜂鳴器報警模塊進行控制，并能夠將用電量信息通過所述Zigbee無線通信模塊傳遞給用戶，用戶能夠經由所述Zigbee無線通信模塊向MCU控制模塊下達指令以對繼電器輸出模塊進行控制。

優選所述供電模塊包含AC220V轉DC5V電路和DC5V轉DC3.3V電路。

優選所述電量檢測模塊能夠測量有功、無功和視在功率、采樣波形及電流和電壓有效值，兩個電流差分檢測通道能夠分別用于檢測火線和零線電流，具有防竊電功能。

優選所述繼電器輸出模塊能夠控制單相火線常閉觸點斷開或者閉合，根據電量檢測模塊檢測到的電流數值是否達到裝置的電流門限來確定是否斷開或者閉合單相火線上的繼電器觸點，從而為用戶提供用電保護功能。

優選所述MCU控制模塊通過SPI接口與電量檢測模塊進行通信，能夠通過SPI通信對所述電量檢測模塊采集到的電量信息進行分析，然后通過所述Zigbee無線通信模塊上傳給用戶或者根據電量信息來控制所述繼電器模塊的斷開或者閉合。

優選所述蜂鳴器報警模塊由所述MCU控制模塊控制，在發生用電事故時，能夠發出頻率為1Hz的聲音報警信號，以提醒用戶由于后端用電故障。

優選所述MCU控制模塊和所述Zigbee無線通信模塊集成在一個芯片中。

優選所述芯片采用CC2538芯片。

優選所述Zigbee無線通信模塊采用Zigbee無線通信協議，能夠與其它支持該通信協議的設備自動組網，從而為用戶提供更廣闊的擴展功能。

本發明具有以下優點：1、電路整體結構體積小，占用空間小，完全可以安裝到普通微型斷路器殼體內部；2、采用無線通信方式，節約了線路成本，節省了布線空間，降低了由于布線帶來的用電安全隱患；3、采用目前智能家居行業主流的Zigbee無線通信協議，可以很容易的與家庭中的其它智能設備進行組網；3、采用無線控制，用戶可以遠程控制微型斷路器的閉合或者斷開，方便了操作；4、兩個電流差分檢測通道可以分別用于檢測火線和零線電流，具有防竊電功能；5、測量精度高：在3000∶1的動態范圍內，有功和無功功率測量誤差小于0.1％；在1000∶1的動態范圍內，瞬時電流有效值測量誤差小于0.2％。

附圖說明

圖1為基于Zigbee無線通信的智能微型斷路器裝置的原理結構框圖。

圖2為基于Zigbee無線通信的智能微型斷路器裝置的軟件程序流程框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。

圖1為基于Zigbee無線通信的智能微型斷路器裝置的原理結構框圖，圖2為基于Zigbee無線通信的智能微型斷路器裝置的軟件程序流程框圖。該裝置從硬件結構功能上包括：供電模塊、電量檢測模塊、繼電器輸出模塊、MCU控制模塊和Zigbee無線通信模塊和蜂鳴器報警模塊；軟件結構功能上包括：(1)控制單元初始化模塊；(2)SPI讀寫模塊；(3)繼電器控制模塊；(4)Zigbee通信；(5)聲音報警五個模塊組成。

一、基于Zigbee無線通信的智能微型斷路器裝置硬件系統

供電電路模塊將交流220V電壓通過AC220V轉DC5V電路實現直流5V電壓輸出，然后直流5V電壓通過DC5V轉DC3.3V電路，實現直流3.3V輸出，最大輸出電流為1A。AC220轉DC5V電路的AC220V輸入端采用具有過載電流保護作用的熱敏電阻。供電電路模塊以直流3.3V電壓為電量檢測模塊、Zigbee模塊以及MCU模塊供電。

電量檢測模塊能夠測量有功、無功和視在功率、采樣波形及電流和電壓有效值，兩個電流差分檢測通道可以分別用于檢測火線和零線電流，具有防竊電功能。電量檢測模塊通過電流互感器和電壓互感器采樣后得到的電流和電壓信號輸入到電能計量芯片ADE7953中。電能計量芯片將接收到的電壓電流信號進行處理和計算，存入相應的寄存器中，然后通過SPI接口輸出到MCU模塊。

繼電器輸出模塊能夠控制單相火線常閉觸點斷開或者閉合，根據電量檢測模塊檢測到的電流數值是否達到裝置的電流門限來確定是否斷開或者閉合單相火線上的繼電器觸點，從而為用戶提供用電保護功能。

MCU控制模塊與Zigbee模塊采用內嵌有MCU功能的Zigbee通信芯片CC2538來實現。CC2538通過SPI接口與電量采集模塊進行通信，通過SPI通信對電量采集模塊采集到的電量信息進行分析，然后通過Zigbee無線通信方式上傳給用戶或者根據電量信息來控制繼電器模塊的斷開或者閉合。Zigbee無線通信模塊接收用戶指令，然后由MCU模塊來進行指令解析或者MCU通過Zigbee無線通信模塊向用戶發送用戶用電量信息。通過采用內部集成有MCU和Zigbee通信功能的IC，從而能夠將MCU控制模塊和Zigbee無線通信模塊的功能通過單芯片來實現，從而節約了PCB和該智能微型斷路器裝置的內部空間。

蜂鳴器報警模塊在該智能微型斷路器裝置后端發生用電事故時，能夠發出頻率為1Hz的聲音報警信號，能夠提醒用戶由于后端用電故障，該智能微型斷路器裝置的被測量火線處于斷開狀態。一旦用戶使被測量火線形成閉合回路，蜂鳴器停止報警。蜂鳴器報警模塊由MCU模塊通過GPIO接口來實現控制功能。

二、基于Zigbee無線通信的智能微型斷路器裝置功能軟件

控制單元初始化模塊：主要控制電路上電初始化工作，包括SPI接口初始化、GPIO初始化、Zigbee寄存器初始化等相關操作。

SPI讀寫模塊：主要完成將電量檢測模塊檢測到的電壓、電流、功率等相關信息傳送給MCU模塊的功能。在該SPI讀寫操作中，電量檢測模塊作為從SPI，MCU模塊作為主SPI，由MCU來觸發SPI接口數據的傳輸動作。

繼電器控制模塊：接收MCU模塊通過GPIO接口發送的閉合或者斷開指令。

Zigbee通信模塊：完成組網，接收用戶發送的指令或者將用戶實時的用電量信息通過Zigbee網絡協議發送給用戶。

聲音報警模塊：該智能微型斷路器裝置檢測到線路故障后，在MCU模塊控制繼電器斷開電力回路的同時，發出頻率為1Hz的聲音信號，提醒用戶及時排除線路故障。一旦線路故障排除，繼電器重新閉合后，報警信號解除。用戶能夠通過手動或者遠程無線方式來使該智能微型斷路器重新閉合，從而形成工作回路。

軟件流程為：

智能微型斷路器上電后，首先完成對電量檢測模塊、蜂鳴器報警模塊、繼電器輸出模塊和Zigbee模塊的初始化。然后等待用戶發送相關指令。

用戶可以發送兩大類指令，一種是采集電量指令，另一種是繼電器控制指令。當用戶需要查看用電量信息時，可以通過支持Zigbee通信協議的設備向智能微型斷路器發送采集電量指令。智能微型斷路器接收到用戶的采集電量指令后，通過電量檢測模塊按照一定的采用頻率對被測線路進行電量信息采集，然后通過Zigbee協議發送給用戶。

當路故障時，MCU控制模塊通過分析電量檢測模塊采樣的瞬時用電量信息發現被測回路故障時，在控制繼電器輸出模塊觸點斷開的同時，控制蜂鳴器報警模塊發出聲音報警。

在被測回路故障未被排出時，繼電器一直處于斷開狀態，蜂鳴器一直發出聲音報警。當被測回路故障被排除后，智能微型斷路器一旦收到用戶發送的繼電器觸點閉合指令，MCU控制模塊將會解除聲音報警，同時控制繼電器輸出模塊觸點閉合，從而使被測回路閉合。