基于微控制器的节能智能电能表的设计

姚续男

（中煤科工集团上海有限公司，上海 200030）

0 引言

近年来，电力对人类的生存和进步变得越来越重要，自动化能源分配也成为提高人们生活水平的必要条件。而手动抄表效率不高，需要大量人力和物力，因此对智能电子仪表系统的需求不断增加，无需任何人工干预即可将抄表结果发送给消费者和分销商[1]。

智能电表出现之前，分销商会根据使用的电力数量在计费系统中制定定价规则，但消费者不知道其电量使用情况。考虑到这一点，智能电表将有助于消费者了解消耗的电量和需要支付的金额。如果使用的电量超出正常范围，消费者可以控制电子设备的运行并降低功耗，而功耗成本将通过读取电表产生的脉冲来计算[2]。然后将计算出的单月金额发送给消费者和分销商，并且在液晶显示器(liquid crystal display，LCD)上显示消费者的日消耗量。在现有系统中，电子式电能表或机电式电能表在固定测量使用量的前提下，能够记录电量，然后由抄表员每月读取。记录数据的成本将根据当前的费率产生，而在智能电子表中，不需要抄表，消费者和分销商都将收到信息，其中包括他们的功耗和时间成本的详细信息[3-4]。由于消费者已经对其电力使用情况和消耗的电力成本有了先验知识，因此可以减少电力消耗并节省电能。

1 系统设计

在现有系统中，每个用电点都会安装机械式或电子式电能表，记录用电者消耗的电量[5-6]。每个月末，抄表员都要走访每一位消费者，并开具账单，因此需要大量的人力。在现有的系统中，没有任何机制提醒消费者他们每天消耗了多少电量，以便他们可以规划和有效利用电器并减少电费支出。只有在月底，消费者才会知道电费单。

在微控制器使能的智能电能表系统中，还将连接机械或电子电能表光耦合器、Arduino UNO微控制器[7]、实时时钟(real time clock，RTC)、LCD、WiFi模块和GSM模块。该智能电能表不仅会记录消费者消耗的电量，还会定期通过GSM向消费者发送有关消耗电量和消耗电量成本的短信服务。因此，聪明的消费者可以利用短信服务规划用电量，并通过正确途径使用电器来降低耗电量。此外，由于连接了WiFi模块，每个月末生成的账单可以发送给分销商，也可以发送一份副本给消费者，这样就可以避免因读取电表生成账单所需的人力。

2 智能电能表的实现

2.1 系统框图

智能电能表系统框图如图1所示，由电子电能表、光耦合器、Arduino UNO微控制器、RTC、LCD、WiFi模块、GSM模块和PC机组成，并且各个模块的功能如表1所示。

图1 智能电能表框图

表1 各个模块功能描述

2.2 测量设计

每消耗1单位(1kWh)电能，电能表中的校准LED将闪烁3200次，并通过光耦合器转换为3200个脉冲。Arduino UNO将对这些脉冲进行计数，并根据当前电价计算电力成本。RTC将定期启动更新，向消费者和分销商发送详细的功耗和成本信息。

2.3 测量方法

智能电能表的实现方法如图2所示，Arduino UNO微控制器将读取电能表中根据用电设备功耗产生的脉冲。微控制器将计算用户消耗的功率以及一天消耗的功率成本。在一天结束时，微控制器将通过GSM模块向消费者发送有关耗电量和电力成本的信息[8]。在月底，有关消耗电量和耗电成本的信息将发送给消费者和分销商。

图2 智能电能表的实现方法

2.4 功能流程图

智能电能表的功能流程图如图3所示。Arduino UNO微控制器对来自电能表的脉冲进行计数，并通过递增计数器计算耗电元件消耗的功率，耗电量和耗电成本将显示在LCD上。大约在一天结束时，从RTC接收到信号后，将向消费者发送一条关于耗电量和电力成本的消息。在RTC发送月底信息后，将向消费者和分销商发送有关耗电量和电力成本的消息。

图3 智能电能表流程图

3 结语

3.1 实验结果

耗电量和功耗在LCD上的显示如图4所示。

图4 LCD 展示的功耗和耗电量

3.2 结论

在智能电能表的成功设计下，每月通过GSM模块和WiFi模块分别向消费者和分销商发送耗电量和成本信息，它还会定期向消费者发送关于耗电量和耗电量成本的讯息提示。计费系统的自动化消除了人工干预，使得智能电能表更加可靠。智能电能表将带来潜在的解决方案，抵制不必要的电力消耗意识，并有助于减少电力的消费。

3.3 未来范围

智能电能表还可以通过考虑物联网来进一步完善其系统设计，使得数据库可以长期维护。此外，电能表可以成为一个预付的电能表，这样当有逾期的账单时，电力可以被切断。也可以开发一个移动应用程序，这样消费者可以通过应用程序联系分销商，在一些罕见的情况下需要任何额外的电力分配，或者可以向分销商投诉他所面临的任何问题。