馬光偉,樊廣曉,王玉虎,卜翠翠,陳佳樂,付廣春

（河南科技學院機電學院,河南新鄉(xiāng)453003）

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.電器的功率參數參差不齊,使用時線路負荷過大會造成電氣火災、觸電等事故.學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間較長,線路出現老化,在使用大功率電器時產生熱量較多,到一定程度就會發(fā)生火災.學生用電時不按照用電安全規(guī)定和管理要求,拖接各類違規(guī)電器設備,隨意拉線、接線,易發(fā)生觸電、火災等安全事故[1].

宿舍用電智能監(jiān)控系統可以有效減少宿舍用電事故的發(fā)生.設計由STM32 芯片作為主控電路,從機采集電壓、電流多路數據量,再經過計算得出每個宿舍的用電功率,并且每條線路均采用信號隔離技術使其獨立工作,得到的數據由LoRa 無線模塊傳輸到主機,再利用4G 通信將數據上傳至網絡云端,實現用電功率的遠程監(jiān)控,同時數據反饋給主機,主機檢測是否超過管理者設定的功率,若超過發(fā)送消息到宿舍長警告該宿舍,不進行處理將會對該宿舍斷電,避免了危險事故的發(fā)生.

1 系統整體設計

宿舍用電智能監(jiān)控系統總體框圖見圖1.

圖1 系統總體框圖Fig. 1 System block diagram

系統整體設計分為主機和從機兩部分,主要由數據采集電路、處理電路、傳輸電路組成.數據采集電路基于BL0937 設計,BL0937 的VP 引腳接入線路中采集電壓信號,BL0937 的IP 和IN 引腳則采集電流信號,由耦合隔離電路傳入從機的脈沖信號捕獲通道,捕獲到的脈沖信號的頻率經過公式計算出功率,再經LoRa 無線通信模塊使數據傳輸到主機,主機根據計算出的功率,發(fā)出相應的控制命令,管理宿舍用電,并將數據封裝處理后由4G 無線通信模塊上傳到網絡云端.

2 系統硬件設計

宿舍用電智能監(jiān)控系統硬件電路結構主要包括電源轉換電路、STM32 主控制器、BL0937 采集電路和LoRa 無線通信電路、4G 無線通信電路.

2.1 電源轉換電路

為得到12 V 的直流電源為系統供電,采用AC-DC 的降壓模塊對220 V 的交流電源進行轉換.隨后使用B1205-2W 的隔離型電源器件,將12 V 的直流電源進一步轉換為所需要使用5 V 的直流電,使用隔離型電源器件B1205-2W 的好處在于保護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計的可行性.最后使用低壓線性穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3,AMS1117 輸入電壓最高可達12 V,輸出電壓可以為1.8、1.9、2.5、3.3 和5 V,輸出電流最高可達1 A,且片內集成過熱保護和過流保護模塊，保證芯片和系統的安全[2]，將5 V 的直流電源轉化成可以為STM32 主控芯片直接供電的3.3 V 電源.電源轉換電路圖見圖2.

圖2 電源轉換電路Fig. 2 Power conversion circuit

2.2 STM32 主控制器

采集電路采用的是一款電能計量芯片BL0937,集成了參考電壓模塊、電源管理模塊和計算功率、電流、電壓的有效值等數字電路,可以輸出電流和電壓有效值脈沖信號.BL0937 有兩種輸出模式,一種是輸出電流、電壓的脈沖信號,另一種是輸出電能計量的脈沖信號.BL0937 芯片的體積很小,內置了晶振、參考電源和兩路ADC.通過精簡的數字算法和高效的硬件結構,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,外圍結構簡單、成本低,非常適合插座表等智能產品中的簡單電能計量,具有較高的性價比[6].

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.前者又稱為瞬時實功率信號,瞬時實功率是電能表測量的首要對象[7].BL0937 的VP 引腳輸入電壓,IN 和IP 引腳輸入電流,通過信號處理求出兩個通道中采集數據的乘積,得到有功功率并以脈沖信號的形式從CF 輸出,對采集的輸入電壓和輸入電流有效值,也以脈沖信號的形式從CF1 輸出,通過計算他們的頻率就能算出有效值.

采集電路見圖3.采集對象是市電電壓,芯片正常工作采集的電壓信號應通過分壓電路調整到200 mV以內,電路使用了6 個330 kΩ 電阻串聯的分壓方法,分壓后1 kΩ 電阻上有大約110 mV 的電壓信號,市電在176～264 V 浮動時,此信號會在88～132 mV 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采樣電流大小.芯片內部集成了兩路ADC,需要在采樣端增加RC 濾波電路,達到濾除高頻干擾信號的效果.

圖3 采集電路Fig. 3 Acquisition circuit

2.3 LoRa 無線通信電路

數據傳輸部分采用了基于SX1278 的LoRa 無線模塊,遠程調制解調增加了傳輸距離,功耗更低.專利調制技術,使傳輸距離變得更遠,傳輸時的靈敏度達到了-148 dBm,功率輸出為+18 dBm,可靠性強,抗干擾能力強.對比傳統調制技術,抗阻塞得到了提高.LoRa 成功實現了低功耗和遠距離的統一,在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠,比傳統的無線射頻通信距離擴大3～5 倍[8].以往設計中無法同時具備距離遠、抗干擾強和功耗低的難題也得以解決,該模塊以其低功耗、成本低和遠距離的優(yōu)勢應用于各種物聯網項目中,實現可靠組網和無線通信,適用于遠程抄表、實時數據傳輸等,是物聯網產品的最佳選擇.

LoRa 無線通信電路見圖4.該芯片的供電是將5 V 電壓經過AMS1117 芯片降到3.3 V,LoRa 模塊由SPI 總線驅動,一共需要8 個引腳,圖中P6 的前兩個引腳分別接地和3.3 V 供電,3 腳是SPI 時鐘輸入引腳,4、5 腳是數據的輸入輸出腳,分別接PA6 和PA7,6 腳是片選引腳,接PB7,在傳輸數據時拉低此引腳,傳輸完最后一個字節(jié)再拉高,7 腳接主控制器的PA2,用于讀取中斷標志位,8 腳接PA4,為復位引腳.

圖4 LoRa 無線通信電路Fig. 4 LoRa wireless communication circuit

2.4 4G 無線通信電路

Air720H 是一款4G 無線通信模塊,下行速率、上行速率分別可達150 Mbps 和50 Mbps.可以向下兼容GSM 或GPRS 網絡,保證在沒有3G、4G 網絡的地區(qū)也能使用,有多種網絡協議,具備工業(yè)標準接口,兼容多種驅動和軟件應用,有UART 接口,將它連接到MCU 或PC 設備上,可以實現供電、固件下載、AT 指令等功能.

系統數據的上傳是通過4G 無線通信模塊,基于HTTP 通信協議將數據上傳到云端服務器遠程監(jiān)控[9].該設計是經UART 口發(fā)送AT 指令控制4G 模塊進行配置網絡、數據傳輸等功能,4G 模塊有兩個UART口,UART1 是AT 調試串口,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 用來傳輸AT 指令.

3 系統軟件設計

根據要求需要實現數據采集、數據傳輸、訪問云端這些功能,定時捕獲脈沖信號的頻率并轉換成功率,利用主控制器的串口外設控制無線模塊,將采集的功率傳輸到網絡云端,實現遠程監(jiān)控的功能.

3.1 系統主程序設計

系統主程序設計流程如圖5 所示.

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

程序中配置了SPI 總線、串口、PWM 捕獲通道這些外設,SPI 總線驅動LoRa 無線模塊,通過讀/ 寫寄存器的方式,控制LoRa 模塊接收、發(fā)送PWM 捕獲脈沖信號的數據,再由串口發(fā)送AT 指令控制4G 模塊上傳數據到網絡云端[10],主控制器根據數據判斷是否發(fā)出控制命令.PWM 捕獲通道將脈沖信號的頻率計算出來,通過程序內編寫的公式把頻率轉換成功率

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

3.2 LoRa 無線通信程序設計

數據發(fā)送、接收流程如圖6 所示.

圖6 發(fā)送、接收流程Fig. 6 Flow chart of sending and receiving

該設計中,LoRa 無線通信電路用與數據的傳輸并保證穩(wěn)定和準確.主控制器上電后初始化設備,數據的發(fā)送是通過SPI 總線將LoRa 配置為發(fā)送模式,讀取中斷引腳為高電平時,在空閑狀態(tài)下寫入FIFO,數據填充完畢后進入到發(fā)送狀態(tài).在LoRa 配置為連續(xù)接收模式時,從機的接收端會一直掃描接收通道,判斷是否有數據,接收到有效數據包之后,需要先進行掃描,然后接收數據并進行CRC 校驗.置FIFO 地址指針指到接收的基地址上,若模塊收到前導碼時,先接收數據頭,再接收數據包,接收完后CRC 校驗通過后讀取數據并保存[11].

4 實驗測試

采集數據見表1.

表1 測試數據Tab. 1 Coupling isolation technology comparison W

將多個用電器分別接在八個排插上模擬宿舍用電,把采集電路接入每個排插的電源線,采集多條用電線路的數據.再通過LoRa 無線通信模塊將數據發(fā)送給主機,主機接收到數據后,串口發(fā)送程序內寫好的AT 指令配置4G 模塊,設置HTTP 網絡連接類型為GPRS（AT+SAPBR=3,1,"CONTYPE","GPRS"）,然后初始化HTTP 協議棧（AT+HTTPINIT）, 初始化成功后填寫域名（AT+HTTPPARA="URL","smart-ammeter.signaloflab.cn"）,最后開啟上報GET 數據（AT+HTTPACTION=0）.數據將會上傳到自己制作的網頁實時顯示,讀下發(fā)命令（AT+HTTPREAD）實現手動設置功率上限值.網頁登錄和注冊界面見圖7.

圖7 登錄、注冊界面Fig. 7 Login registration screen

每個賬號對應一個宿舍,存儲于數據庫中,注冊并登錄成功后進入數據顯示界面見圖8.圖中顯示的是其中一條線路的用電功率,登錄相應的賬號查看相應的線路的用電情況,功率超過設定的值時,STM32主控制器將會發(fā)出控制命令控制電路管理宿舍用電,實現了所需要的功能.

圖8 數據顯示界面Fig. 8 According to data interface

5 小結

本文監(jiān)控系統設計以STM32 主控芯片實現多路數據的采集,數據的傳輸方式是無線加有線,將數據上傳到云平臺實現實時遠程監(jiān)控,主控制器對數據進行判斷,從而控制宿舍的用電.經過長時間測試,有較高的可靠性和穩(wěn)定性,網絡云端顯示數據準確,能夠實現實時監(jiān)控以及用電控制功能,有效避免了大功率用電器的長時間使用.該設計的人機交互方面還存在不足,下一步將著重于前端的完善.