用电设备节能省电远程控制系统

用电设备节能省电远程控制系统

针对用电设备无人在场时仍处于开机状态或待机状态下的电能浪费现象，基于GSM和单片机研发一种能自动监测用电设备工作状态并通过手机短信方式及时切断电源的远程控制系统。

电能是现代社会稳步持续发展的重要能源，然而，近年来“电荒”现象频频发生，究其原因纵然是多方面的，但主要的原因是我国电力发展整体上无法满足当前国民经济增长的需求。而且，随着社会的进步，制造业、重化工业等各类产业的快速发展，电力消费将处于不断上升的趋势。各种各样的电器为人们带来方便的同时，也极大增加了家庭、集体单位乃至国家的用电量。所以，节能省电势在必行，要珍惜每一度电，养成节约用电的好习惯，尤其要杜绝一些不必要的浪费。然而，诸如学校等公共场所，时常在无人的情况下，空调、电灯、电扇、多媒体等电器仍处于开机状态，或者虽然关机了，但是很多时候也是处于待机状态，几乎所有的电器都存在待机功耗，所谓待机功耗是指在电器插头插上插座（电器没有使用）的情况下电器所消耗的电量，虽然只有几瓦到几十瓦，但是时间久了耗电量却相当惊人。

针对上述电能的浪费现象，目前也有不少从节能省电角度出发，通过监测用电设备工作状态并手动切断电源等方式达到避免电能浪费的相关研究成果。但现有成果通常采用专用电量监测芯片和51单片机共同实现预期功能，这些技术虽然都能监测用电设备待机电流或电压值，专用电量检测芯片成本相对也较低，但是检测精度和换算速度略显不够，同时，采用手动检查手动切断电源的方式在智能化与操作便捷程度上还不够，对于无人在场时用电设备依然处于工作状态，或者人离开之前忘记启动监测系统检查电器时，上述研发成果便显得有些变束手无策了。

当前远程控制常用的有电话控制，手机控制或者计算机网络控制。现在固定电话使用者越来越少，计算机网络控制虽然功能强大但是成本代价高，而手机短消息的应用越来越普及，无论是在家电控制还是在工程控制上都发挥其成本低、控制距离远和容易开发等优势。因此，基于手机短信发送命令远程操控硬件电路实现预期功能的远程控制系统不断涌现。

1）基于电容、电感、电阻、集成芯片等基础电子元器件和手机SIM卡等设计一款用电设备工作状态监测并远程启动切换开关的控制电路系统，借助漏电保护器里的互感器进行信息采样，以电容降压模式进行供电，以手机短信进行远程控制。与现有方案相比，本方案不仅能现场启动监测系统当场监测用电设备工作状态并手工切断电源以避免不必要的电能浪费，而且还可以通过手机短信的方式，远程启动监测系统并远程切断用电设备电源，整套系统操作方便、简单，非常人性化，容易被大众接受。

2）本电路产品主要用到以下元器件和部件：

如附图1所示，整个系统以单片机为基础，主要由手机短信控制模块和自动监测模块构成，以M0516LAN微控制器作为用电设备自动监测控制的核心模块，其他电路组成它们的外围作为获取微控制器所需数据的插件，当监测是否有电器处于用电状态时，微控制器通过电流互感器的接口采样电流数据，并用运放组成的精密全波整流电路对采样到的微小信号进行换算。以GSM手机短信作为系统远程控制的核心模块，当监测是否有用电设备处于工作状态时，只需启动控制系统，系统会自动监测并自动向控制端的手机发送对应信息，由控制者回发对应含义的代码对用电设备的工作状态进行控制。其中自动监测模块主要包括：信号采样、信号转换、自动监测等电路模块构成，手机短信远程控制模块主要由：短信驱动模块开机检测模块、短信反馈模块和短信远程控制等模块组成。

（1）信号采样单元：

采样的方法有很多，有电压、电流、磁感应等等，该设

硬件电路设计

计采用电流互感器进行电流采样，这种方法安装简单，测量的精度高，易于检测和显示小功率负载，如图2所示，该电路中用的是JRCT102传感器，这种传感器安装简单，只需让负载线单芯穿过即可。

该单元的关键部分是传感器和单片机的匹配单元，传感器得到的信号是毫伏级的交流信号，需要交流转直流后再进行放大，这样单片机才能得到适配的信号。

交流转直流最简单的方法是用二极管组成半波、全波和桥式整流，但这种方法在此不行，常见的二极管要导通两端电压必须高于它的自身压降，通常整流二极管的压降不低于0.4V，肖特基二极管也有0.2V以上。本发明作品中互感器通过小电流时输出的电压是毫伏级的，上述方法转换时会屏蔽小电流的信号，因此，上述方法在本作品中行不通。第2种方法是先把传感器得到的电流信号转换成单极性的电压信号，如图3，这种方法电路简单。在该电路中，首先互感器的采样电流和负载电流是线性的固定比值。通过D1整流后得到的比值是同相的比例，在R12端就得到了直流的脉冲电压。再通过后级的滤波和放大就可以得到线性的直流信号。该电路在实际运行测试中存在着它的缺点，电流电压转换后损耗较大。这样对测量精度有很大的影响。

经过几种方式的实验，最后选择用2个运放组成的经典精密整流电路。优点是可以在电阻R5上并联滤波电容，电阻的匹配关系为R1=R2，R4=R5=2R3；可以通过R5来调节增益。后面再加了一个射级跟随器用来阻抗匹配，如图4。

（2）信号切换单元

该单元采用由CD4052组成的开关选择电路组成，这样可以使单片机通过少量的IO口检测数量多的采样通道。如图5，在图中采用2组4选1的方式切换通道，通过改变图中A/B组成的地址线切换通道通过XH1，XH2采样信号。

图1 技术路线结构框图

图2

图3

图4

图5

远程控制单元

该单元是用手机或者电脑通过网络传输，实现远程查询和控制。远程控制分3个部分：外部手机或者电脑、室内通讯转换中继、室内终端分机。核心控制单元M0516LAN微控制器流程图如图6所示。

a）外部手机或者电脑：该单元是利用手机或者电脑通过网络实现对家中的室内终端的使用和控制室内电器的运行，使用时只需打开一个专用的程序就可以实时显示室内电器的工作状态。

b）室内控制转换中继：该单元是通过上网模块进行网络连接，把外部手机和电脑的信号转换成特殊数据输送到控制中心，该单元还有一部分是控制中心和室内终端分机的数据转换。

c）室内终端分机：该分机是根据室内的不同电器配套设计的，比如空调，用电流采样检测空调是否开启，用室温检测检测空调开启模式，用模拟遥控器的控制方式控制空调。安装方式采用类似充电器的小塑壳实现安装方便。红外传输的模式采用4个不同角度安装的红外发射管，通过直射不能直射的位置通过不同的角度利用墙面的反射传输到空调，实现可以的室内只要前面近距离没有遮挡物体就可以安装。按照空调的传输模式，对于可以遥控的电器均可以实现远程控制。对于只需开和关的电器可以通过可控硅或者继电器的开关关实现远程控制

d）室内数据传输模式：对于室内，控制方式相对简单、安装也方便不会影响室内的环境。但传输是最难的，布线会严重影响室内的环境、通过无线传输功率小会受房间大小和房门和其他因数的影响，功率大会使整体耗电量增大。经对比，采用一种简单又安装方便的方式。用电力线载波的通讯方式。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.007