基于MQTT协议的电能监控系统设计及其应用*

马帅帅, 吴桂初, 梁步猛, 郑佳伟, 王京京, 周星雨

(1.温州大学, 浙江 温州 325035;2.温州大学乐清工业研究院, 浙江 温州 325600;3.浙江聚创智能科技有限公司, 浙江 温州 325002)

0 引 言

随着“双碳”目标的不断推进[1],统计电能并计算相应的碳排放量,成了部分地方政府的工作重点。对于大型用电企业或事业单位,如果能够实现电能的合理监管[2],避免浪费,将节约较大的用电成本。对于生产型企业,电能监管可以计算单位产能,提高设备稼动率[3]。在效率稳定情况下,可以根据设备用电量预估设备的产量[4]。文献[5-6]中提出一种监测方案,方案基于ESP8266模块,但是ESP8266所代表的WiFi具有传输不稳定、容易丢包的特点,而且需要相应的路由设备。文献[7]中提出了WiFi、GPRS、以太网3种通信方式并存的网关设计,但是3种方式比较冗余,且GPRS信号在复杂环境下不稳定。上述文献中采用的是2G通信技术,但是当网关位于楼宇中间的配电房或工厂等干扰较大环境中时,网关传输数据不稳定。而且,上述文献中采用的方法均是一个监控器配置一个网关,成本比较大。

本文设计采用4G通信技术,其数据传输可靠性高,且采用一个网关连接多个监控器的结构,大大节约成本。可以通过网页端和微信小程序两种方式访问云平台。通过电能监控还可以进行环保设备监管,给监控器配备相应的传感器,即可有更多运用,因此系统具有较高的实用价值与延展价值。

1 系统总体结构设计

电能监控系统总体结构示意图如图1所示。监控器采集电压、电流等信息,经过RN7302芯片 的计算,得到电能、功率等信息,传输给网关,传输的协议采用Modbus协议。同时,网关根据采集的电参量信息,与阈值进行比较,超过阈值触发报警。网关采用4G模块,将监控器传到网关的数据,上传到物联网平台,上传数据采用的是MQTT协议。

图1 电能监控系统总体结构示意图

一个网关可以连接1～4个监控器。通过网页端或者微信小程序,查看监控器监控的电气设备电参量信息,进而推断出设备状态信息。也可以从数据库下载数据进行相应的数据分析,成熟的分析算法将会被嵌入到云平台中。

2 监控器硬件设计

电能监控器主要包括电参量采集模块、RS-485串口通信模块、铁电存储模块、LCD液晶显示模块。监控器内部结构如图2所示。其中继电器模块可以实现电气设备远程开合闸。 LCD显示实时电量、电压、电流、有功功率等参数。

图2 监控器内部结构

2.1 电能计量芯片

RN7302是一款高精度多功能的三相计量专用芯片,芯片内置AD采集模块,与主控芯片之间采用SPI方式进行通信,通过读取RN7302芯片对应的寄存器,可以获得三相电能、三相有功功率等参数。电压采样采用串接电阻的方式,电流采样采用电流互感器差分输入的方式。

2.2 RS-485串口通信电路设计

RS-485硬件原理图如图3所示。采用半双工方式,通过SN65HVD3082E进行电平转换。同时采用光耦进行隔离,保护人身安全。

图3 RS-485硬件原理图

3 网关硬件设计

网关内部结构框图如图4所示。RS-485模块接收来自电能监控器的数据信息,发送给STM32F103芯片,STM32F103芯片通过EC20将数据传输到物联网平台。EC20支持LTE-FDD、 LTE-TDD、 EDGE 和GPRS网络数据连接。RTC实时时钟负责记录当前的时间,有后备电源。当电参量超过阈值时,蜂鸣器报警。

图4 网关内部结构框图

4 监控器软件设计

4.1 RS-485串口通信软件设计

监控器的RS-485有两个功能:与上位机通信,进行校表;作为Modbus的从机。两者软件上一样,物理上只有一个接口。监控器采用功率校表法进行校表。与传统脉冲校表法相比,功率校表法具有简单、快捷等优点。理论上,校准之后数据精度可以达到0.2 s级。作为Modbus从机的功能是配合主机,实时地把数据传输到网关。

4.2 RN7302芯片编程

需要发送对应功能码,使RN7302芯片从睡眠状态转入运行状态;需要配置相应的寄存器,实现芯片正常运行。

4.3 其 他

上位机软件采用C#程序进行编写。温度采集采用STM32F103内置的ADC。电能数据以及RN7302的配置信息需要写入铁电存储器,防止意外断电而导致数据丢失。

5 网关软件设计

5.1 μC/OS Ⅱ移植

任务设计是整个μC/OS Ⅱ的基础[8],网关的任务函数有RS-485收发任务、4G网络连接/数据收发任务、定时器、LED指示灯、LCD显示、按键任务、报警任务、RTC实时时钟以及生产测试任务。

5.2 RS-485串口通信软件设计

网关具有两个物理上的RS-485端口:负责与监控器进行通信;负责与上位机进行通信。由于需要网关在连接监控器的情况下进行调试,所以需要两个RS-485接口。

5.3 MQTT通信协议软件设计

MQTT协议[9]是为工作在低带宽、不可靠网络的远程传感器和控制设备通信而设计的协议,使用发布/订阅消息模式,提供一对多的消息发布,通过MQTT消息代理者通信来实现间接交互消息。

STM32F103通过AT指令与EC20进行通信,服务质量QoS选择“最多一次”。监控器实时传递数据给网关,网关每隔4 min上传一次数据,PING心跳请求的时间间隔为1 min,当没有报文需要发送时,必须发送心跳包[10],告知服务端客户端“在线”。MQTT协议连接流程如图5所示。其中,4G模组支持全网通,即支持LTE-FDD[11]和LTE-TDD[12]网络数据连接。

图5 MQTT协议连接流程

6 系统测试

6.1 硬件测试

硬件测试主要包括网关和监控器的测试,具体包括:常温下电压、电流、能耗参数准确度的测试,高低温情况下上述参数的测试,EMC测试。

经测试,-10～85 ℃的情况下,设备可以正常工作。常温下,连续测试15 d,电能能耗的计量误差满足0.5 s电表的要求。

6.2 软件测试

软件测试主要测试微信小程序和网页端的数据显示、命令下发。

微信小程序折线图界面如图6所示,微信小程序控制界面如图7所示,可以查看温度、剩余电流、电能等信息。

图6 微信小程序折线图界面

图7 微信小程序控制界面

网页端电能数据展示界面如图8所示。网页端电能详细数据展示界面如图9所示。可以看到,某数控机床一天电能消耗情况,中午时间电能下降,是工人在休息,17∶00电能为0,说明工人下班,机器已关闭。图 9可以查看到4 min一次的数据,而图8只能查看1 h一个数据点的大致电能使用情况。且图8是电能能耗的差值,而图9是从设备安装到目前为止所用的电能能耗的累计值。

图8 网页端电能数据展示界面

图9 网页端电能详细数据展示界面

经过长时间测试,该监控系统软硬件均可靠且运行稳定,而且实现小程序端和电脑端对设备进行查看和控制。网页端控制展示界面如图10所示。

图10 网页端控制展示界面

7 系统应用

系统目前主要运用于银行总行及各营业网点的电能监控与分析方面。银行营业场所的70%的用电属于营业性用电,如照明、电脑、空调、饮水机、LED屏等设备的用电,员工下班后需拔掉所有设备的插头,但在实际中执行效果不好,造成大量电能浪费。

银行智慧用电监测系统框图如图11所示。

图11 银行智慧用电监测系统框图

根据用电时间(8 h或24 h)及供电类型(市电或UPS),将银行的所有用电分为8 h市电、24 h市电、8 h UPS、24 h UPS和定时工作电源。银行网点用电类型监测如图12所示。银行智慧用电系统接线图如图13所示。

图12 银行网点用电类型监测

图13 银行智慧用电系统接线图

银行网点现场管理终端是一个触摸屏,网点现场管理终端展示界面如图14所示。通过网页端所展示的数据,依据用电量可对支行工作人员上、下班时间点进行监测。

采用本系统之后,各支行工作人员上班时间点较为稳定、准时,已养成下班一键关断8 h用电的习惯。当需要加班时,可以在网页端提交加班申请。偶尔忘关断8 h用电,监管人员都会及时督促网点相关人员进行关断。

对各网点用电情况统计,以7∶00～18∶30作为上班时间段,对8 h设备下班时间段用电统计,可节约5%～10%的用电量,具体节能效果与网点实际用电管理情况有关。

8 结 语

基于MQTT协议的4G无线电能监控系统可以实现远程监督设备运行情况、远程开断设备,主要优势如下:

(1) 采用4G无线通信方式,数据传输速度快,性能稳定,可以实现复杂环境下设备数据的稳定传输。

(2) 采用一个网关连接多个监控器的结构,且在监控器上采用性能略低的HC32L130芯片,大大节约产品成本。

(3) 大量采集的电参量信息,为大数据分析提供便利,实现管理节能、电能分析、企业生产情况监管等大数据分析任务,助力工业数字化和碳达峰、碳中和。