基于快速交流開關的輸電控制一體化智慧系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及集成電路、電路硬件設計和嵌入式軟件設計、PC軟件以及算法設計、通信與計算機集成領域，利用先進的通信與數字電源技術，將WiFi模組和精密電壓電流檢測模組、火線高速開關模組集成在控制面板(傳統的開關面板)上。將控制指令進行編碼，通過火線的高速開關將控制指令發送到用電設備上，從而控制用電設備的運行；同時，在控制面板上對設備的用電進行數據采集，借助先進的算法和高精度的數據采集模組，獲得每一個設備的用電數據，并且據此分析得到電力電纜火線和零線的漏電數據;如果漏電超過預設上限，則發出警報，同時啟動聯動反應，如切斷火線等操作。根據不同的應用需求，控制面板對用電設備的控制可以是單個尋址的，也可以是分組尋址的；受控的用電設備可以是小功率的，也可以是大功率的，可以是同一個類型的用電設備，也可以是多個不同類型的用電設備;控制可以在面板上觸摸完成，也可以通過手機APP完成。此系統可以直接替換現有的開關面板而無需更改布線，即可實現智慧家居、智慧建筑等場景對用電設備的控制。
技術背景
[0002]當前的智慧家居和智慧建筑的用電設備的控制，一般采用兩種方式:遙控開關控制;總線控制器或者無線控制器，從而實現對單個設備或者一組設備的控制。
[0003]無論哪種控制方式，都是基于對設備的傳統控制模式的改造，而且總線方式需要重新布線，而無線方式需要在每個用電設備中增加一個無線模組。ZigBee模組數據速率低，而WiFi模組受到無線接入點AP的數量的限制，用電設備很多的場景下無法正常工作。當前系統如圖1所示。
[0004]連接關系如下:220VAC接入通過電力電纜與用電設備和控制單元的AC-DC模組24VDC連接，控制單元通過M⑶總線控制模組與用電設備以總線電纜連接，或者通過無線模組與用電設備以無線方式連接。
[0005]工作過程如下；用電設備在得到220VAC電力后，等待控制單元下發開關的指令;控制單元通過預設程序或者接受外部指令，以總線或者無線方式將指令下達到用電設備；用電設備根據指令，導通或者切斷220VAC的供電，從而控制用電設備的工作狀態:停機狀態或者工作狀態。
[0006]目前的控制系統是傳統控制方式的一種延伸，控制的仍然是開關狀態或者很少設備的內部參數的控制，不滿足日益增加的應用場景的新需求;沒有數據采集功能，對用電設備的狀態知之甚少；需要更改布線或者在用電設備中增加無線模組，施工不易，而且成本尚O
[0007]當前系統的主要缺陷是:
[0008]控制方式和內容單一。僅僅針對每個回路、每個設備進行開關操作，而不是面向用戶的應用場景，對應一個場景的不同類型的用電設備的不同的控制內容的一鍵控制模式很難實現。
[0009]沒有數據采集功能。僅僅實現了開關控制，但是用電設備的狀態、設備運行性能、設備的用電數據等沒有數據采集;開關導通了，設備是否能夠運行不得而知。
[0010]控制方法的物理實現成本高，不適合于改造項目或者即插即用方式。總線控制方式需要在應用場所增加總線線纜和進行施工;無線方式需要為每個用電設備增加一個無線模組。采用數據速率低的ZigBee無法進行快速復雜的控制，而WiFi由于接入點AP的接入數量限制無法大規模采用。
[0011]不同的用電設備需要不同的控制方式和控制參數，控制單元結構復雜。用電設備類型不同，控制的內容和參數不同。針對每一個用電設備的控制，需要單獨的控制模組。
[0012]安全性低。沒有實時數據采集和分析，對用電設備的運行參數和狀態、電力電纜的工作性能、用電時相關人員操作是否正常、工作場所電力環境是否滿足工作要求等，沒有任何的監控措施，整個系統的運作安全性低。
[0013]本
【發明內容】
[0014]本發明是通過如下方法實現的。
[0015]如圖2所示為基于快速交流開關的輸電控制一體化智慧系統框圖，系統分為兩個部分:智慧面板和受控用電設備。
[0016]智慧面板連接關系為:220VAC接入端口經過電流電壓互感器后，與高速開關1、高速開關2、高速開關3連接；電流電壓互感器與16?24bit、32KSMPS以上ADC模組連接后，接入ARM32M⑶，ARM32M⑶模組同時與WiFi模組、觸摸按鈕模組以及高速開關1、高速開關2、高速開關3連接。
[0017]受控用電設備以3個為例:LED彩色燈具、電動門窗、電動窗簾。
[0018]LED彩色燈具連接關系為:220VAC接入模組經過電源模組與LED彩色燈具的光源組件連接，220VAC接入模組經過信號變壓器與M⑶連接，M⑶連接控制模組，控制模組與LED彩色燈具連接。
[0019]電動門窗連接關系為:220VAC接入模組經過電源模組與電動門窗連接，220VAC接入模組經過信號變壓器與MCU連接，MCU連接控制模組，控制模組與電動門窗連接。
[0020]電動窗簾連接關系為:220VAC接入模組經過電源模組與電動窗簾連接，220VAC接入模組經過信號變壓器與MCU連接，MCU連接控制模組，控制模組與電動窗簾連接。
[0021]智慧面板的高速開關I模組與LED彩色燈具的220VAC接入模組和信號變壓器模組以電力電纜方式連接;智慧面板的高速開關2模組與電動窗簾的220VAC接入模組和信號變壓器模組以電力電纜方式連接;智慧面板的高速開關3模組與電動門窗的220VAC接入模組和信號變壓器模組以電力電纜方式連接。
[0022]工作原理為:智慧面板通過WiFi或者觸摸按鈕，獲得對設備的控制指令;ARM32MCU模組將控制指令轉換為N進制的PffM波形，通過高速開關直接控制220VAC電力電纜的通斷，將控制指令傳輸到相應的用電設備；用電設備接通過電力電纜獲得電能，同時通過信號變壓器取出HVM波形，MCU模組將取出的波形進行解碼，獲得用電設備的控制指令;MCU輸出控制指令到相應的控制模組，從而控制用電設備的運行。
[0023]智慧面板通過電流電壓互感器獲得220VAC的火線L與零線N的數據，同時，根據ARM32MCU對不同的高速開關以及每個高速開關上的每一個用電設備的不同時間的開關操作，獲得每一個回路以及回路上每一個用電設備的用電數據，數據結果算法分析后，鑒別是否存在漏電超限、負載超限等問題，啟動聯動操作如切斷相應火線連接，以及將數據通過WiFi傳遞到網絡上的其他數據處理設備。
[0024]每個用電設備具有多個ID:關于自己的唯一的EID，以及隸屬于多個分組的不同的GID。相關用電設備的EID和GID，以及他們與高速開關的連接關系，存儲在ARM32MCU的內存中ARM32MCU根據此連接關系表，啟動相應的高速開關模組，將控制指令下發。
[0025]智慧面板采用增量(減量)模式，對每一個高速開關回路以及回路上的設備進行數據米集。導通尚速開關I，關閉尚速開關2和尚速開關3，獲得尚速開關I回路的用電數據；導通尚速開關I和尚速開關2，關閉尚速開關3，獲得尚速開關I回路與尚速開關2回路的用電數據。將以上兩者數據相減，則獲得高速開關I回路、高速開關2回路分別的用電數據。在每一個高速開關回路上的多個用電設備，可以通過對該回路上每一個用電設備的單獨尋址從而控制其工作狀態，獲得增量算法數據，進而獲得每一個用電設備的用電數據。
[0026]在實際的用電數據采集中，根據實際應用中不同的指令，可以獲得相應的用電設備數據，不需要設計不屬于實際應用范圍的獨立的數據采集模組。一旦某個用電設備的工作指令被下達，但是智慧面板本身檢測不到任何的工作電流的變化，則認定此設備處于故障狀態，相關的報警數據通過WiFi發送到網絡上。
[0027]智慧面板上的火線L和零線N的輸出，可以連接各種用電設備，也可以連接插座。通過對火線L和零線N上的電流的精確測量，識別用電系統中的各種漏電現象。在漏電(含觸電)達到預設上限時，則關斷相應的用電回路，以避免事故的發生。漏電的檢測方法將在圖5的說明中細述。
[0028]本發明的優點為:
[0029]與傳統的控制方式兼容。使用智慧面板直接取代傳統的開關面板，原先安裝在開關面板上的用電設備，能夠獲得與原先一樣的開關控制功能;更換智慧面板后，如果使用與系統兼容的用電設備，如LED彩色燈具，則該LED彩色燈具能夠被單獨尋址和控制，相應的更加豐富的控制內容，如色彩、色溫、照度、閃爍等等均可控。
[0030]每個支路的控制互相獨立，既可以同步，也可以異步。在每一個智慧面板上，每一個高速開關