基于NB-IoT云服务智能安全用电装置设计

周锦荣,连仕珑,邹力伟,柯少颖,陈少鹏,曹沛资,喻文雨,魏搏涛

（1.闽南师范大学物理与信息工程学院,福建 漳州 363000；2.漳州视瑞特光电科技股份有限公司,福建 漳州 363000；3.福建利利普光电科技有限公司,福建 漳州 363000；4.漳州天利隆电子科技有限公司,福建 漳州 363000）

安全智能用电监测与控制设备广泛应用于智能家居、智能实验室仪器设备管理以及安全用电等特定用电环境，保护用电设备运行安全，具有节能环保、智能实用等优点[1].采用无线传输技术和数据分析的方法对用电设备进行安全可靠的电能计量和用电控制，以及对居民的用电行为进行数据分析、统计评估达到用电优化也是当前应用研究的热点之一[2-5].比如，张余明等设计了一种以STM32作为控制核心，利用光感应元件以及控制AC输出的继电器确保用电安全，并采用LoRa模块进行数据接收和发送的智能插座实现用电监测[2].邓斌等人提出了一种以智能终端和智能插座为核心的家庭电力物联网体系，该体系以Freescale公司KinetisK60系列MCU主控制芯片家庭电力能源管理系统的设计思路，利用ADE7858电能计量功能，并通过GSM 网络来实现无线网络数据传输功能，但文献中没有给出比较具体的实现方案介绍[5].文献[3]的研究中提出由STM32F103VET6 作为主处理器，利用CS5463 进行电能量的计量，并采用ESP8266无线Wi-Fi 模块以HTTP post 方式和Yeelink 云服务器进行交互，实现电器用电数据的存储、分析处理，利用云服务器的部署实现远程的用电侧信息监测和查询等功能[3].文献[4]基于家庭用电数据安全监控需求，针对ZigBee 无线传输网络易被非法节点入侵的问题，提出采用RFID 硬件配合换位加密算法完成入网请求节点的身份验证的家庭用电数据安全传输方案[4].本文基于CDIO工程教育，以校企协同育人和OBE教育理念指导学生的课外科技作品实现为主线，对采用NB-IoT 物联网技术设计的一种基于云服务的智能安全用电装置进行案例总结[6].该装置在常用的插座功能基础上进行智能化设计，具有安装便捷、使用方便、电能数据采集精确、控制策略丰富等优点.本智能安全用电装置通过NB-IoT网络接入云服务平台，可以使用Web可视化操作页面对用电器进行定时供电或断电以及紧急关闭电源等功能.本智能安全用电装置可通过对采集的电能数据进行统计来分析用户的用电习惯，设定合适的供电时间优化不同用电对象需求，同时可以在用电器处于待机状态时关闭电源，达到节能减排的目的.

1 系统总体设计方案

本智能安全用电装置设计主要由传感器终端采集与处理模块、NB-IoT网络通信和应用服务器三部分构成，总体设计方案框图如图1所示[7].传感器终端主要由系统电源以及MCU 核心电路及外围电路组成，系统通过传感器终端实现电能数据的采集处理，并根据数据采集结果与预先设定相应参数对用电器进行控制.传感器终端通过NB-IoT网络完成上行与下行的数据传输，实现终端与云端的对接.NB-IoT网络通信系统采用BC26模块接入NB-IoT网络，使用BC26模块内建的MQTT协议连接至阿里云物联网平台，将传感器终端收集的数据实时上传到云端服务器中.同时接收阿里云下发数据，经过单片机完成下行数据解析，在传感器终端执行对应操作.应用服务器设计依托阿里云平台进行开发，通过接入阿里云物联网平台，使用云端服务器完成数据库部署与Web可视化开发，上行数据依靠云服务器完成解析，经过平台内的数据流转使得上传数据能够得到充分利用.通过阿里云物联网平台的IoT Studio开发工具，完成了可视化操作网页应用的开发，实现了通过网页端对用户终端的监测与控制.

2 硬件电路设计

如图1所示，系统硬件电路主要由系统供电电源模块、HT32单片机核心电路模块、电能数据采集及控制模块、漏电检测模块、人机交互模块、实时时钟及存储模块和BC26网络通信模块组成.

图1 系统总体设计框图Fig.1 NB-IoT realizes the interconnection of terminals

2.1 系统供电电源模块

电源电路主要通过AC/DC转换电路与DC/DC降压电路完成电压转换，为各个模块提供工作电源，具体电路原理图如图2所示.

图2 系统硬件电源原理图Fig.2 System hardware power supply schematic diagram

AC/DC 转换电路采用海凌科AC/DC 隔离稳压电源模块12M12，可将220 VAC转换为12 VDC，为系统提供工作电源，其额定功率12 W，能够充分满足整个系统的能耗需求.DC/DC 降压电路采用LM2596 构成BUCK 降压型开关电源，其转换效率高，最大输出电流可达3 A，能够提供足够的电流保障电路的正常工作，通过LM2596 将12 VDC转换为5 VDC，为NB-IoT 通信电路、漏电检测电路及后级电路提供稳定工作电源.采用AMS1117-3.3 低压差线性稳压芯片，将5 VDC转换为3.3 VDC，其出色的电压误差调整率与最大1A的电流输出，能够很好地为MCU核心电路及相关芯片提供稳定的3.3 VDC的工作电源.在电源系统每一级中都加入了合适的滤波电容与旁路电容，以尽可能减少电源纹波对系统的影响.

2.2 HT32F52352核心电路模块

HT32F52352 是基于ARM Cortex-M0 内核的32 位单片机.其最小核心电路如图3所示，主要由外部晶振电路、复位电路、SWD下载电路、以及外围电路的通信控制接口组成.采用8 MHz的外部无源晶振作为高速时钟输入，通过单片机内部PLL 模块倍频得到48 MHz 的系统主时钟，低速晶振采用32.768 KHz的无源晶振作为单片机内部RTC 时钟输入.单片机通过拉低复位引脚0.2 ms 以上实现硬件复位，RC 复位电路设置的参数R1为100 kΩ，C8为100 nF，上电时产生自动复位，取电容由0～0.63 VCC的充电时间t=RC，代入R1 与C8 数值得到t=10 ms，低电平时间满足复位条件，并且可通过复位按键实现手动复位.另外，加入D1～D3三个LED用以指示系统当前运行状态.

图3 HT32F52352核心电路Fig.3 HT32F52352 Core Circuit

2.3 电能数据采集与控制模块

本系统采用BL0942电能计量芯片采集电能数据，并通过继电器控制用电器电源输出.输出电压与电流通过互感器实现隔离采样.BL0942是一颗具有内置时钟免校准的单相电能计量芯片，内部集成了双路高精度Sigma-Delta ADC、参考电压和电源管理等模拟电路模块，以及处理有功功率、电流电压有效值等电参数的数字信号处理电路.硬件电路设计中将SEL 引脚置为低，设置通信模式为串口方式，将SCLK_BPS引脚置为高，设置通信波特率为9 600 Baud，图4所示为BL0942外围电路的原理图.

图4 BL0942应用电路Fig.4 BL0942 Application circuit

继电器控制部分电路原理图如图5所示.设计采用12VDC 驱动的松乐SRD-12VDC-SL-A 继电器，额定工作电流10A/250VAC，继电器动作时线圈电流维持在30～40 mA 左右，驱动采用NPN 型三极管SS8050.主要参数为：最大集电极电流IC=1.5 A，集射极最大电压UCE=25 V，直流电流增益典型值β=200.

图5 电流互感器采样及控制电路Fig.5 Current transformer sampling and control circuit

当PD1引脚输出高电平（3.3 V）时，由公式(1)计算，得到集电极最大电流IC约为240 mA，能够满足继电器驱动条件.另外在继电器线圈两端反向并联续流二极管，避免线圈关断产生的反向电压对其他器件造成影响.

输出电流的采样电路原理图如图5所示.外部用电器受继电器控制，设计最大工作电流为10 A，电流输出经过电流互感器，通过外围电路得到差分电流采样信号.由于电流采样电路中互感器变比为2 000∶1，当通过电流有效值达到10 A 时，则有次级电流有效值5 mA，从而采样电阻R11 上得到差分电压有效值5 mV，由于BL0942电流检测引脚最大输入差分电压有效值为35 mV，所以设计的电流采样电路设计满足芯片要求.

在电压采样电路中，原理图如图6所示，通过电阻串联对交流市电限流分压，通过电流型电压互感器完成电压采样，由公式(2)计算得到互感器一次侧电流有效值IRMS=0.113 mA，由于互感器变比为1∶1，所以在二次侧取样电阻R21 上由公式(3)得到采样电压有效值URMS=11.3 mV，由于BL0942 电压检测引脚最大输入电压有效值为70 mV，交流电压采样电路输出满足芯片要求，且留有较大余量.

图6 电压互感器采样电路Fig.6 Voltage transformer sampling circuit

2.4 漏电检测模块

为了避免用电器漏电造成人身危害，本设计中加入了漏电检测电路.当发生漏电情况时，流过零线和火线的电流不相等.由于两根线共同穿过漏电检测互感器，产生的漏电电流将产生感生磁场.所以，在互感器的二次侧产生感生电动势，采用运放将漏电信号放大并整形最后通过比较器就检测出漏电信号，通过产生上升沿触发单片机的外部中断，执行处理漏电情况的程序.

检测电路如图7所示，使用LM324集成四运放设计了漏电检测电路，采用+5 V单电源供电，所以正弦波形式的漏电信号被放大后失去负半周，相当于对输入信号进行半波整流.使用二阶有源低通滤波电路处理半波信号，将会得到与漏电信号幅值成比例的直流电平，之后通过电位器改变阈值电压通过运放构成的单限比较器，将设置的阈值电压与漏电信号产生的直流电平进行比较得到漏电信号.

电路中使用同向放大电路进行漏电信号的放大，由公式(4)，代入图7中参数计算得到放大倍数约为100倍；在二阶有源低通滤波电路中将截止频率设置为1.592 Hz，其计算公式如公式(5)所示.

图7 漏电检测电路Fig.7 Leakage detection circuit

2.5 人机交互模块

人机交互电路设计分为电容按键控制和OLED显示两个部分.电容按键控制部分使用通泰TTP233D单路电容按键检测芯片，以替代传统的微动开关.在插座面板上提供一个触摸按键，配合显示模块以满足用户轻度交互的需求，通过短按与长按操作可以实现不同功能.其电路原理图如图8所示，该芯片通过引脚3 连接到面板的背后的金属片上，实现电容按键的检测，电容C19 可以控制触摸的灵敏度，由于检测芯片输出的是稳定的电平状态，单片机通过引脚PC0直接读取按键状态.

图8 电容按键驱动电路Fig.8 Capacitor key drive circuit

OLED 显示部分采用了1.3英寸约(3.023cm)单色OLED 显示屏，分辨率为128px×64px，使用HT32单片机集成的高速SPI 总线进行通信，以提高屏幕刷新率，减少闪烁.OLED 显示屏在系统中根据不同工作模式将显示对应内容，其电路原理图如图9所示.

图9 OLED驱动电路Fig.9 OLED driver circuit

2.6 实时时钟与存储模块

在系统中为保证断电后配置参数的有效，采用E2PROM 芯片AT24C32 储存需要的数据，用户配置的参数能够断电保存，使设置的参数能长期有效，增强了系统的实用性.如图10所示为该部分电路原理图.

图10 储存芯片电路与实时时钟芯片电路Fig.10 Memory chip circuit and real-time clock chip circuit

由于系统中需要进行对用电情况进行准确的时间记录，系统采用了DS3231高精度的实时时钟芯片，其芯片内部集成高度稳定的温补晶体振荡器(TCXO)和晶体.该芯片能够为系统提供稳定准确的时间基准，以保证定时开关功能的正确使用，并且依靠实时时钟完成电能参数的日统计与月统计.配置的备用电池使得实时时钟断电后依然能够正常工作.

实时时钟芯片与储存芯片均挂载在I2C 总线上，节省了MCU 的引脚使用，简化了电路设计.使用4.7 kΩ的上拉电阻，满足I2C总线的硬件条件，经过实际验证芯片功能正常，电路运行良好.

2.7 BC26网络通信模块

本设计中采用了移远NB-IoT 模块BC26，基于联发科MT2625 芯片平台研发，BC26 支持低供电电压范围（2.1～3.6 V），更适合NB-IoT技术的应用场景，BC26还提供丰富的外部接口（UART、SPI、ADC等）和网络协议栈（TCP/CoAP/MQTT等）[8-9].BC26模块与单片机之间通过排针与主控端相连，通过串口AT指令进行功能配置，该模块板载了电平转换芯片以及电压转换电路，如图11模块硬件框图所示，外部电路提供5 V电源和单片机的串口接入，即可完成模块外围电路设计.

图11 BC26模块硬件框图Fig.11 Hardware block diagram of BC26 module

3 软件设计

软件部分由本地设备端与阿里云物联网平台两部分组成，系统软件设计总流程图如图12所示.

图12 系统软件总体设计框图Fig.12 System software overall design block diagram

设备端包括四个运行任务和三个中断任务：电能参数采集任务完成电参数采集与转换；参数显示任务完成对应参数的显示；交互控制任务完成人机交互与输出控制功能；网络通信任务完成设备与阿里云平台之间的数据交互，完成上行数据的封装与下行数据的解析.

系统中使用了三个中断，其中两个串口中断的功能分别为：1）接收云端平台下行数据；2）接收电能参数数据，外部中断对接漏电检测模块输出，用以检测漏电信号.设备端各任务和中断依靠FreeRTOS 嵌入式系统完成调度，确保各个任务的独立性，提高系统的稳定性.

阿里云物联网平台提供安全可靠的设备连接通信能力，支持设备数据采集上云，通过规则引擎流转数据和云端数据下发到设备端，提供了方便快捷的设备管理能力.通过定义物模型，数据结构化存储，可以实现远程调试、监控、运维.在设计中通过将数据封装为对应格式上传到云平台，通过阿里云服务器完成数据自动解析，使用IoT Studio完成Web可视化开发，完成远程控制与监测的功能.

3.1 网络通信功能设计

网络通信部分包括设备本地数据上传与阿里云下发数据处理两个部分.MCU与BC26模块通过异步串口进行通信，通信数据格式为波特率115 200 Baud、8 位数据位、无校验位、1 位停止位，使用AT 指令进行控制.上电后BC26模块由MCU通过串口AT指令完成相关参数的配置，成功登录到阿里云物联网平台之后，就可以进行数据上下行的处理，BC26模块联网状态如图13所示.

图13 BC26联网状态图Fig.13 BC26 networking status diagram

在系统中，MCU将采集的电能参数与系统运行状态等设备属性封装成Alink JSON格式的字符串，通过NB-IoT 模块BC26 内置的MQTT 协议完成数据的发布，通过物联网平台解析之后，云端创建的设备就能收到真实设备发布的数据，将设备属性同步到云端数据库中.数据发布的具体流程如图13所示.Alink JSON 数据格式是阿里云物联网平台为开发者提供的设备与云端之间的数据交换协议，数据发布通过特定的Topic完成.

3.2 控制功能设计

控制功能主要包括输出继电器控制与电容触摸按键的交互控制两个部分.输出继电器控制插座的电源输出，除了要满足基本的开关控制之外，还要考虑到用电安全以及远程控制和定时开关等功能.

如图14所示，系统中设计了定时开关功能、漏电保护功能和过流保护功能.通过设定每日开启与关闭时间来控制每日的电源输出开启时间，漏电检测模块产生的漏电信号、电能监测产生的过流信号都会强制关闭继电器输出，直到危险排除后才能恢复正常工作.除此之外通过远程控制可以直接控制继电器的开关状态.采用了DS3231 实时时钟芯片提供准确的时间，设定的参数则储存在AT24C32 芯片中，每次上电后系统自动恢复已设定值.

图14 控制功能流程图Fig.14 Communication module circuit diagram

4 实验测试与分析

为了测试系统整体功能的实现情况，在测试实验中，通过自耦变压器改变系统输入电压，并使用50 Ω/600 W 的功率电阻作为阻性负载并联在输出端，通过台式万用电表监测电路的电流与电压.实验中测量了110～220 V 有效值电压条件下，纯阻性负载的电流电压测试数据，记录的数据如表1所示.实验结果表明，下位机采集到的相关电能数据能顺利上传到云端服务器，实现利用Web 端可视化界面记录测量数据及显示，实验过程中程序运行稳定，各项功能正常.通过读取云服务器实现的Web测量结果显示如图15所示.

表1 测量实验数据Tab.1 Measured experimental data

图15 Web可视化界面记录数据Fig.15 Web visual interface records data

5 结论

本文所设计的云服务智能安全用电装置实现了电压、电流采集功能、电能分析功能、自动定时控制功能、智能远程控制功能以及安全保护功能.该装置系统以智能插座为载体，通过对用电器的用电检测和控制，为用户展示各项能耗数据，提供用能控制策略，并可远程开关设备.操作智能化、使用高安全、待机功耗低为本设计的特色.通过Web 可视化界面，实现了对用电装置的直接控制，通过设置合适的使用时间，定时地开启输出，解决了输出控制需要人工干预的问题，减少了接入用电器的待机功耗.系统通过内部程序设计，对使用过程中发生的危险情况(过流、漏电等情形)进行判断，迅速切断电源，保障使用者的安全，避免产生更严重的危害.

本设计在2021年教育部第一批产学合作协同育人项目和福建省大学生创新创业训练计划项目支持下，基于CDIO 工程教育和OBE 教育理念对指导学生课外科技训练的阶段性作品成果进行总结.本文对作品成果设计方案进行比较详实的描述，可为电类专业的项目教学或案例教学提供参考.但本设计目前只侧重于对直接测得的电参数进行显示，而对于这些电参数的利用还比较有限.后续工作中可以通过加装不同的传感器构成传感器节点，安装在办公楼、酒店、或者大型会场等场所，用于不同区域安全用电装置及设备使用情况、人群流量或者用户用电行为习惯、安全隐患等其他活动数据的采集.将测得的电能数据对接云平台实现大数据分析，或可以接入已有的智能家居平台，结合用户常用的APP进行控制，方便用户进行无线操控使用.