宿舍用电监控系统设计

马光伟,樊广晓,王玉虎,卜翠翠,陈佳乐,付广春

（河南科技学院机电学院,河南新乡453003）

如今电器种类庞杂,方便了我们的生活,但用电事故也在不断发生.电器的功率参数参差不齐,使用时线路负荷过大会造成电气火灾、触电等事故.学校里用电事故主要是由于使用大功率电器造成的.许多高校宿舍建立时间较长,线路出现老化,在使用大功率电器时产生热量较多,到一定程度就会发生火灾.学生用电时不按照用电安全规定和管理要求,拖接各类违规电器设备,随意拉线、接线,易发生触电、火灾等安全事故[1].

宿舍用电智能监控系统可以有效减少宿舍用电事故的发生.设计由STM32 芯片作为主控电路,从机采集电压、电流多路数据量,再经过计算得出每个宿舍的用电功率,并且每条线路均采用信号隔离技术使其独立工作,得到的数据由LoRa 无线模块传输到主机,再利用4G 通信将数据上传至网络云端,实现用电功率的远程监控,同时数据反馈给主机,主机检测是否超过管理者设定的功率,若超过发送消息到宿舍长警告该宿舍,不进行处理将会对该宿舍断电,避免了危险事故的发生.

1 系统整体设计

宿舍用电智能监控系统总体框图见图1.

图1 系统总体框图Fig. 1 System block diagram

系统整体设计分为主机和从机两部分,主要由数据采集电路、处理电路、传输电路组成.数据采集电路基于BL0937 设计,BL0937 的VP 引脚接入线路中采集电压信号,BL0937 的IP 和IN 引脚则采集电流信号,由耦合隔离电路传入从机的脉冲信号捕获通道,捕获到的脉冲信号的频率经过公式计算出功率,再经LoRa 无线通信模块使数据传输到主机,主机根据计算出的功率,发出相应的控制命令,管理宿舍用电,并将数据封装处理后由4G 无线通信模块上传到网络云端.

2 系统硬件设计

宿舍用电智能监控系统硬件电路结构主要包括电源转换电路、STM32 主控制器、BL0937 采集电路和LoRa 无线通信电路、4G 无线通信电路.

2.1 电源转换电路

为得到12 V 的直流电源为系统供电,采用AC-DC 的降压模块对220 V 的交流电源进行转换.随后使用B1205-2W 的隔离型电源器件,将12 V 的直流电源进一步转换为所需要使用5 V 的直流电,使用隔离型电源器件B1205-2W 的好处在于保护STM32 主控芯片,以及一些其他的外部电路,确保使用的安全性以及设计的可行性.最后使用低压线性稳压芯片AMS1117-3.3,AMS1117 输入电压最高可达12 V,输出电压可以为1.8、1.9、2.5、3.3 和5 V,输出电流最高可达1 A,且片内集成过热保护和过流保护模块，保证芯片和系统的安全[2]，将5 V 的直流电源转化成可以为STM32 主控芯片直接供电的3.3 V 电源.电源转换电路图见图2.

图2 电源转换电路Fig. 2 Power conversion circuit

2.2 STM32 主控制器

采集电路采用的是一款电能计量芯片BL0937,集成了参考电压模块、电源管理模块和计算功率、电流、电压的有效值等数字电路,可以输出电流和电压有效值脉冲信号.BL0937 有两种输出模式,一种是输出电流、电压的脉冲信号,另一种是输出电能计量的脉冲信号.BL0937 芯片的体积很小,内置了晶振、参考电源和两路ADC.通过精简的数字算法和高效的硬件结构,在满足所要求的功能和性能前提下,硬件消耗和功耗都非常低,外围结构简单、成本低,非常适合插座表等智能产品中的简单电能计量,具有较高的性价比[6].

理想的p（t）只包括两部分：直流部分和频率为2ω 的交流部分.前者又称为瞬时实功率信号,瞬时实功率是电能表测量的首要对象[7].BL0937 的VP 引脚输入电压,IN 和IP 引脚输入电流,通过信号处理求出两个通道中采集数据的乘积,得到有功功率并以脉冲信号的形式从CF 输出,对采集的输入电压和输入电流有效值,也以脉冲信号的形式从CF1 输出,通过计算他们的频率就能算出有效值.

采集电路见图3.采集对象是市电电压,芯片正常工作采集的电压信号应通过分压电路调整到200 mV以内,电路使用了6 个330 kΩ 电阻串联的分压方法,分压后1 kΩ 电阻上有大约110 mV 的电压信号,市电在176～264 V 浮动时,此信号会在88～132 mV 之间,符合芯片要求.电流采样电路电阻可以采用康铜电阻或者合金电阻,电阻值的选择则需要根据采样电流大小.芯片内部集成了两路ADC,需要在采样端增加RC 滤波电路,达到滤除高频干扰信号的效果.

图3 采集电路Fig. 3 Acquisition circuit

2.3 LoRa 无线通信电路

数据传输部分采用了基于SX1278 的LoRa 无线模块,远程调制解调增加了传输距离,功耗更低.专利调制技术,使传输距离变得更远,传输时的灵敏度达到了-148 dBm,功率输出为+18 dBm,可靠性强,抗干扰能力强.对比传统调制技术,抗阻塞得到了提高.LoRa 成功实现了低功耗和远距离的统一,在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远,比传统的无线射频通信距离扩大3～5 倍[8].以往设计中无法同时具备距离远、抗干扰强和功耗低的难题也得以解决,该模块以其低功耗、成本低和远距离的优势应用于各种物联网项目中,实现可靠组网和无线通信,适用于远程抄表、实时数据传输等,是物联网产品的最佳选择.

LoRa 无线通信电路见图4.该芯片的供电是将5 V 电压经过AMS1117 芯片降到3.3 V,LoRa 模块由SPI 总线驱动,一共需要8 个引脚,图中P6 的前两个引脚分别接地和3.3 V 供电,3 脚是SPI 时钟输入引脚,4、5 脚是数据的输入输出脚,分别接PA6 和PA7,6 脚是片选引脚,接PB7,在传输数据时拉低此引脚,传输完最后一个字节再拉高,7 脚接主控制器的PA2,用于读取中断标志位,8 脚接PA4,为复位引脚.

图4 LoRa 无线通信电路Fig. 4 LoRa wireless communication circuit

2.4 4G 无线通信电路

Air720H 是一款4G 无线通信模块,下行速率、上行速率分别可达150 Mbps 和50 Mbps.可以向下兼容GSM 或GPRS 网络,保证在没有3G、4G 网络的地区也能使用,有多种网络协议,具备工业标准接口,兼容多种驱动和软件应用,有UART 接口,将它连接到MCU 或PC 设备上,可以实现供电、固件下载、AT 指令等功能.

系统数据的上传是通过4G 无线通信模块,基于HTTP 通信协议将数据上传到云端服务器远程监控[9].该设计是经UART 口发送AT 指令控制4G 模块进行配置网络、数据传输等功能,4G 模块有两个UART口,UART1 是AT 调试串口,UART2 是普通串口,将UART1 的RXD、TXD 分别连接到主控制器的串口引脚,PA2 和PA3 用来传输AT 指令.

3 系统软件设计

根据要求需要实现数据采集、数据传输、访问云端这些功能,定时捕获脉冲信号的频率并转换成功率,利用主控制器的串口外设控制无线模块,将采集的功率传输到网络云端,实现远程监控的功能.

3.1 系统主程序设计

系统主程序设计流程如图5 所示.

图5 主程序流程Fig. 5 Main program flow chart

程序中配置了SPI 总线、串口、PWM 捕获通道这些外设,SPI 总线驱动LoRa 无线模块,通过读/ 写寄存器的方式,控制LoRa 模块接收、发送PWM 捕获脉冲信号的数据,再由串口发送AT 指令控制4G 模块上传数据到网络云端[10],主控制器根据数据判断是否发出控制命令.PWM 捕获通道将脉冲信号的频率计算出来,通过程序内编写的公式把频率转换成功率

式（1）中：FCF为捕获脉冲信号的频率,Vref为基准电压1.28 V,V（V）和V（I）分别是两个电压、电流采集管脚的电压有效值,相乘得出功率.

3.2 LoRa 无线通信程序设计

数据发送、接收流程如图6 所示.

图6 发送、接收流程Fig. 6 Flow chart of sending and receiving

该设计中,LoRa 无线通信电路用与数据的传输并保证稳定和准确.主控制器上电后初始化设备,数据的发送是通过SPI 总线将LoRa 配置为发送模式,读取中断引脚为高电平时,在空闲状态下写入FIFO,数据填充完毕后进入到发送状态.在LoRa 配置为连续接收模式时,从机的接收端会一直扫描接收通道,判断是否有数据,接收到有效数据包之后,需要先进行扫描,然后接收数据并进行CRC 校验.置FIFO 地址指针指到接收的基地址上,若模块收到前导码时,先接收数据头,再接收数据包,接收完后CRC 校验通过后读取数据并保存[11].

4 实验测试

采集数据见表1.

表1 测试数据Tab. 1 Coupling isolation technology comparison W

将多个用电器分别接在八个排插上模拟宿舍用电,把采集电路接入每个排插的电源线,采集多条用电线路的数据.再通过LoRa 无线通信模块将数据发送给主机,主机接收到数据后,串口发送程序内写好的AT 指令配置4G 模块,设置HTTP 网络连接类型为GPRS（AT+SAPBR=3,1,"CONTYPE","GPRS"）,然后初始化HTTP 协议栈（AT+HTTPINIT）, 初始化成功后填写域名（AT+HTTPPARA="URL","smart-ammeter.signaloflab.cn"）,最后开启上报GET 数据（AT+HTTPACTION=0）.数据将会上传到自己制作的网页实时显示,读下发命令（AT+HTTPREAD）实现手动设置功率上限值.网页登录和注册界面见图7.

图7 登录、注册界面Fig. 7 Login registration screen

每个账号对应一个宿舍,存储于数据库中,注册并登录成功后进入数据显示界面见图8.图中显示的是其中一条线路的用电功率,登录相应的账号查看相应的线路的用电情况,功率超过设定的值时,STM32主控制器将会发出控制命令控制电路管理宿舍用电,实现了所需要的功能.

图8 数据显示界面Fig. 8 According to data interface

5 小结

本文监控系统设计以STM32 主控芯片实现多路数据的采集,数据的传输方式是无线加有线,将数据上传到云平台实现实时远程监控,主控制器对数据进行判断,从而控制宿舍的用电.经过长时间测试,有较高的可靠性和稳定性,网络云端显示数据准确,能够实现实时监控以及用电控制功能,有效避免了大功率用电器的长时间使用.该设计的人机交互方面还存在不足,下一步将着重于前端的完善.