淺談宿舍用電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與解決方案

李明君

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：很多高校宿舍的用電功率存在限制,為此設(shè)計(jì)了宿舍用電智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由主控制器、采集部分、通信部分組成。利用STM32作為主控芯片,采集部分采用BL0937芯片采集電壓和電流,采集多條線路用電數(shù)據(jù),各路數(shù)據(jù)采集通道均采用隔離保護(hù),通信部采用4G、LoRa無(wú)線通信模塊和串口。主控制器經(jīng)4G模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)云端實(shí)時(shí)監(jiān)控,宿舍的用電功率超過(guò)設(shè)定的功率時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)送消息給該宿舍的宿舍長(zhǎng),警告宿舍及時(shí)管理用電器,否則就會(huì)對(duì)該宿舍斷電，防止事故的發(fā)生,也能更方便地控制宿舍用電情況。經(jīng)實(shí)際測(cè)試應(yīng)用,該監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及時(shí)、運(yùn)行穩(wěn)定,滿足系統(tǒng)應(yīng)用需要。

關(guān)鍵詞：BL0937；LoRa無(wú)線模塊；STM32；4G通信

0引言

如今電器種類龐雜,方便了我們的生活,但用電事故也在不斷發(fā)生。電器的功率參數(shù)參差不齊，使用時(shí)線路負(fù)荷過(guò)大會(huì)造成電氣火災(zāi)、觸電等事故。學(xué)校里用電事故主要是由于使用大功率電器造成的。許多高校宿舍建立時(shí)間較長(zhǎng),線路出現(xiàn)老化,在使用大功率電器時(shí)產(chǎn)生熱量較多，到一定程度就會(huì)發(fā)生火災(zāi)。學(xué)生用電時(shí)不按照用電安全規(guī)定和管理要求,拖接各類違規(guī)電器設(shè)備，隨意拉線、接線,易發(fā)生觸電、火災(zāi)等安全事故。宿舍用電智能監(jiān)控系統(tǒng)可以有效減少宿舍用電事故的發(fā)生。設(shè)計(jì)由STM32芯片作為主控電路,從機(jī)采集電壓、電流多路數(shù)據(jù)量，再經(jīng)過(guò)計(jì)算得出每個(gè)宿舍的用電功率,并且每條線路均采用信號(hào)隔離技術(shù)使其獨(dú)立工作,得到的數(shù)據(jù)由LoRa無(wú)線模塊傳輸?shù)街鳈C(jī)，再利用4G通信將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)云端，實(shí)現(xiàn)用電功率的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)數(shù)據(jù)反饋給主機(jī)，主機(jī)檢測(cè)是否超過(guò)管理者設(shè)定的功率,若超過(guò)發(fā)送消息到宿舍長(zhǎng)警告該宿舍,不進(jìn)行處理將會(huì)對(duì)該宿舍斷電，避免了危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

宿舍用電智能監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)分為主機(jī)和從機(jī)兩部分,主要由數(shù)據(jù)采集電路、處理電路、傳輸電路組成.數(shù)據(jù)采集電路基于BL0937設(shè)計(jì),BL0937的VP引腳接入線路中采集電壓信號(hào),BL0937的IP和IN引腳則采集電流信號(hào),由耦合隔離電路傳入從機(jī)的脈沖信號(hào)捕獲通道,捕獲到的脈沖信號(hào)的頻率經(jīng)過(guò)公式計(jì)算出功率，再經(jīng)LoRa無(wú)線通信模塊使數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī),主機(jī)根據(jù)計(jì)算出的功率，發(fā)出相應(yīng)的控制命令,管理宿舍用電，并將數(shù)據(jù)封裝處理后由4G無(wú)線通信模塊上傳到網(wǎng)絡(luò)云端。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

宿舍用電智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)主要包括電源轉(zhuǎn)換電路、STM32主控制器、BL0937 采集電路和LoRa無(wú)線通信電路、4G無(wú)線通信電路。

2.1 電源轉(zhuǎn)換電路

為得到12V的直流電源為系統(tǒng)供電,采用AC-DC的降壓模塊對(duì)220V的交流電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換。隨后使用B1205-2W的隔離型電源器件,將12V的直流電源進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為所需要使用5V的直流電，使用隔離型電源器件B1205-2W的好處在于保護(hù)STM32主控芯片,以及一些其他的外部電路,確保使用的安全性以及設(shè)計(jì)的可行性。*后使用低壓線性穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3，AMS1117輸入電壓*高可達(dá)12V,輸出電壓可以為1.8、1.9、2.5、3.3和5V,輸出電流*高可達(dá)1A，且片內(nèi)集成過(guò)熱保護(hù)和過(guò)流保護(hù)模塊，保證芯片和系統(tǒng)的安全，5 V的直流電源轉(zhuǎn)化成可以為STM32主控芯片直接供電的3.3V電源。電源轉(zhuǎn)換電路圖見圖2。

2.2 STM32主控制器

采集電路采用的是一款電能計(jì)量芯片BL0937,集成了參考電壓模塊、電源管理模塊和計(jì)算功率、電流、電壓的有效值等數(shù)字電路,可以輸出電流和電壓有效值脈沖信號(hào)。BL0937有兩種輸出模式,一種是輸出電流、電壓的脈沖信號(hào),另一種是輸出電能計(jì)量的脈沖號(hào)。BL0937 芯片的體積很小,內(nèi)置了晶振、參考電源和兩路ADC。通過(guò)精簡(jiǎn)的數(shù)字算法和高效的硬件結(jié)構(gòu),在滿足所要求的功能和性能前提下,硬件消耗和功耗都非常低，外圍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,非常適合插座表等智能產(chǎn)品中的簡(jiǎn)單電能計(jì)量,具有較高的性價(jià)比。

理想的p（t）只包括兩部分：直流部分和頻率為2ω的交流部分.前者又稱為瞬時(shí)實(shí)功率信號(hào),瞬時(shí)實(shí)功率是電能表測(cè)量的首要對(duì)象。BL0937的VP引腳輸入電壓,IN和IP引腳輸入電流,通過(guò)信號(hào)處理求出兩個(gè)通道中采集數(shù)據(jù)的乘積,得到有功功率并以脈沖信號(hào)的形式從CF輸出,對(duì)采集的輸入電壓和輸入電流有效值,也以脈沖信號(hào)的形式從CF1輸出,通過(guò)計(jì)算他們的頻率就能算出有效值。

采集電路見圖3。采集對(duì)象是市電電壓,芯片正常工作采集的電壓信號(hào)應(yīng)通過(guò)分壓電路調(diào)整到200mV以內(nèi)，電路使用了6個(gè)330kΩ電阻串聯(lián)的分壓方法,分壓后1kΩ電阻上有大約110mV的電壓信號(hào),市電在176~264V浮動(dòng)時(shí),此信號(hào)會(huì)在88~132mV之間,符合芯片要求。電流采樣電路電阻可以采用康銅電阻或者合金電阻,電阻值的選擇則需要根據(jù)采樣電流大小。芯片內(nèi)部集成了兩路ADC,需要在采樣端增加RC濾波電路,達(dá)到濾除高頻干擾信號(hào)的效果。

2.3 LoRa無(wú)線通信電路

數(shù)據(jù)傳輸部分采用了基于SX1278的LoRa無(wú)線模塊,遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)增加了傳輸距離,功耗更低。調(diào)制技術(shù),使傳輸距離變得更遠(yuǎn),傳輸時(shí)的靈敏度達(dá)到了-148dbm,功率輸出+18dBm,可靠性強(qiáng),抗干擾能力強(qiáng).對(duì)比傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù),抗阻塞得到了提高。LORA成功實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一,在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn),比傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信距離擴(kuò)大3~5倍。以往設(shè)計(jì)中無(wú)法同時(shí)具備距離遠(yuǎn)、抗干擾強(qiáng)和功耗低的難題也得以解決,該模塊以其低功耗、成本低和遠(yuǎn)距離的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中,實(shí)現(xiàn)可靠組網(wǎng)和無(wú)線通信,適用于遠(yuǎn)程抄表、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的*佳選擇。

LoRa無(wú)線通信電路見圖4。該芯片的供電是將5V電壓經(jīng)過(guò)AMS1117芯片降3.3V,LoRa模塊由SPI總線驅(qū)動(dòng),一共需要8個(gè)引腳,圖中P6的前兩個(gè)引腳分別接地和3.3V供電,3腳是SPI時(shí)鐘輸入引腳,4、5腳是數(shù)據(jù)的輸入輸出腳,分別接PA6和PA7,6腳是片選引腳,接PB7,在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)拉低此引腳,傳輸完*后一個(gè)字節(jié)再拉高,7腳接主控制器的PA2,用于讀取中斷標(biāo)志位,8腳接PA4,為復(fù)位引腳。

2.4 4G無(wú)線通信電路

Air720H是一款4G無(wú)線通信模塊,下行速率、上行速率分別可達(dá)150Mbps和50Mbps?？梢韵蛳录嫒軬SM或GPRS網(wǎng)絡(luò),保證在沒3G、4G網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)也能使用,有多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,具備工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口,兼容多種驅(qū)動(dòng)和軟件應(yīng)用,有UART接口,將它連接到MCU或PC設(shè)備上,可以實(shí)現(xiàn)供電、固件下載、AT指令等功能。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)的上傳是通過(guò)4G無(wú)線通信模塊,基于HTTP通信協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控。該設(shè)計(jì)是經(jīng)UART口發(fā)送AT指令控制4G模塊進(jìn)行配置網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?4G模塊有兩個(gè)UART口,UART1是AT調(diào)試串口,UART2是普通串口,將UART1的RXD、TXD分別連接到主控制器的串口引腳,PA2和PA3用來(lái)傳輸AT指令。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)要求需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、訪問云端這些功能,定時(shí)捕獲脈沖信號(hào)的頻率并轉(zhuǎn)換成功率,利用主控制器的串口外設(shè)控制無(wú)線模塊,將采集的功率傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)云端,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示.

程序中配置了SPI總線、串口、PWM捕獲通道這些外設(shè),SPI總線驅(qū)動(dòng)LoRa無(wú)線模塊,通過(guò)讀/寫寄存器的方式,控制LoRa模塊接收、發(fā)送PWM捕獲脈沖信號(hào)的數(shù)據(jù),再由串口發(fā)送AT指令控制4G模塊上傳數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)云端，主控制器根據(jù)數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)出控制命令。PWM捕獲通道將脈沖信號(hào)的頻率計(jì)算出來(lái),通過(guò)程序內(nèi)編寫的公式把頻率轉(zhuǎn)換成功率。

式（1）中：FCF為捕獲脈沖信號(hào)的頻率,Vref為基準(zhǔn)電壓1.28V,V（V）和V（I）分別是兩個(gè)電壓、電流采集管腳的電壓有效值,相乘得出功率。

3.2 LoRa無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)發(fā)送、接收流程如圖6所示。

該設(shè)計(jì)中,LoRa無(wú)線通信電路用與數(shù)據(jù)的傳輸并保證穩(wěn)定和準(zhǔn)確。主控制器上電后初始化設(shè)備,數(shù)據(jù)的發(fā)送是通過(guò)SPI總線將LoRa配置為發(fā)送模式,讀取中斷引腳為高電平時(shí),在空閑狀態(tài)下寫入FIFO，數(shù)據(jù)填充完畢后進(jìn)入到發(fā)送狀態(tài)。在LoRa配置為連續(xù)接收模式時(shí),從機(jī)的接收端會(huì)一直掃描接收通道,判斷是否有數(shù)據(jù),接收到有效數(shù)據(jù)包之后，需要掃描,然后接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行CRC檢驗(yàn)。置FIFO地址指針指到接收的基地址上，若模塊收到前導(dǎo)碼時(shí),先接收數(shù)據(jù)頭,再接收數(shù)據(jù)包，接收完后CRC校驗(yàn)通過(guò)后讀取數(shù)據(jù)并保存。

4高校綜合能效解決方案

4.1校園電力監(jiān)控與運(yùn)維

集成設(shè)備所有數(shù)據(jù)，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運(yùn)行，集中調(diào)控，集中監(jiān)控，數(shù)字化巡檢，移動(dòng)運(yùn)維，班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。

4.2后勤計(jì)費(fèi)管理

采用網(wǎng)絡(luò)抄表付費(fèi)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計(jì)費(fèi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、費(fèi)率設(shè)置、賬單統(tǒng)計(jì)匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設(shè)置補(bǔ)貼方案。通過(guò)能源付費(fèi)管理方式，培養(yǎng)用能群體和部門的節(jié)能意識(shí)。

4.2.1宿舍用電管理

針對(duì)學(xué)生宿舍用電進(jìn)行管理控制：可批量下發(fā)基礎(chǔ)用電額度和定時(shí)通斷功能；可進(jìn)行惡性負(fù)載識(shí)別，檢測(cè)違規(guī)電氣，并可獲取違規(guī)用電跳閘記錄。

4.2.2商鋪水電收費(fèi)

針對(duì)校園超市、商鋪、食堂及其他針對(duì)個(gè)體的水電用能進(jìn)行預(yù)付費(fèi)管理。

4.2.3充電樁管理平臺(tái)

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充”信息能源結(jié)構(gòu)中是必*。充電樁應(yīng)用管理同樣是校園生活服務(wù)中必*一部分。

4.2.4智能照明管理

通過(guò)對(duì)高校路燈的全局監(jiān)測(cè)，提供對(duì)路燈靈活智能的管理，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)任一線路，任一個(gè)路燈的定時(shí)開關(guān)、強(qiáng)制開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)，以及定時(shí)控制方案靈活設(shè)置，確保路燈照明的智能控制和高效節(jié)能。

4.3能源管理系統(tǒng)

針對(duì)校園水、電、氣等各類接入能源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包含同比分析、環(huán)比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。

按校園建筑的分類進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)的各類建筑耗電數(shù)據(jù)。如辦公類建筑耗電、教學(xué)類建筑耗電、學(xué)生宿舍耗電等，對(duì)數(shù)據(jù)分門別類的分析，提供領(lǐng)導(dǎo)決策，提高管理效能。

構(gòu)建符合校園節(jié)能監(jiān)管內(nèi)容及要求的數(shù)據(jù)庫(kù)，能自動(dòng)完成能耗數(shù)據(jù)的采集工作，自動(dòng)生成各種形式的報(bào)表、圖表以及系統(tǒng)性的能耗審計(jì)報(bào)告，能夠監(jiān)測(cè)能耗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置控制策略，達(dá)到節(jié)能目的。

4.4智慧消防系統(tǒng)

智慧消防云平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測(cè)器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)這些設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行智能化感知、識(shí)別、定位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集消防信息，通過(guò)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢(shì)分析，幫助實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化值守智慧消防，實(shí)現(xiàn)智慧消防“自動(dòng)化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”需求。從火災(zāi)預(yù)防，到火情報(bào)警，再到控制聯(lián)動(dòng)，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺(tái)內(nèi)運(yùn)行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過(guò)平臺(tái)直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設(shè)備和傳感器的運(yùn)行狀況，并能夠在出現(xiàn)細(xì)節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時(shí)間內(nèi)，相關(guān)報(bào)警和事件信息通過(guò)手機(jī)短信、語(yǔ)音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達(dá)相關(guān)人員。

5.平臺(tái)部署硬件選型

5.1電力監(jiān)控與運(yùn)維平臺(tái)

5.2后勤計(jì)費(fèi)管理

5.2.1宿舍/商業(yè)預(yù)付費(fèi)平臺(tái)

5.2.2充電樁管理平臺(tái)

5.2.3智能照明管理

5.3能源管理系統(tǒng)

5.4智慧消防系統(tǒng)

5.4.1電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

5.4.2消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)

5.4.3防火門監(jiān)控系統(tǒng)

6結(jié)束語(yǔ)

本文監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STM32主控芯片實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的采集,數(shù)據(jù)的傳輸方式是無(wú)線加有線,將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控,主控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，從而控制宿舍的用電。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，有較高的可靠性和穩(wěn)定性,網(wǎng)絡(luò)云端顯示數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控以及用電控制功能,有效避免了大功率用電器的長(zhǎng)時(shí)間使用。該設(shè)計(jì)的人機(jī)交互方面還存在不足,下一步將著重于前端的完善。

【參考文獻(xiàn)】

【1】馬光偉，樊廣曉，王玉虎，卜翠翠，陳佳樂，付廣春.宿舍用電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]河南科技學(xué)院.2020（48）：68-73.

【2】張西珠,劉廷廷,張一航.大學(xué)生宿舍的用電安全性分析及管理方案[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊,2020,28（23）：195-196.

【3】高校綜合能效解決方案2022.5版.

【4】企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.

作者簡(jiǎn)介

李明君，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍安全用電研究發(fā)展。