劉迎澍，楊旭輝

（天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津　300072）

面向智能家居的實(shí)時(shí)電能信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉迎澍，楊旭輝

（天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072）

通過(guò)對(duì)智能家居內(nèi)部的用電負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、并對(duì)不同負(fù)荷的運(yùn)行實(shí)施優(yōu)化安排，能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。為此，設(shè)計(jì)了以STM32嵌入式系統(tǒng)為核心的電能信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電能信息采集、無(wú)線通信、顯示、存儲(chǔ)和故障報(bào)警等模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)用電信息的實(shí)時(shí)采集、顯示，歷史數(shù)據(jù)查詢和故障報(bào)警功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷運(yùn)行的精細(xì)化管理，滿足智能家居的需要。

STM32；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；RN8209；智能家居

隨著新能源革命的興起和信息技術(shù)的發(fā)展，智能家居在智慧城市中的作用與日俱增。智能家居系統(tǒng)以住宅為平臺(tái)，通過(guò)先進(jìn)測(cè)量、通信、控制等技術(shù)的集成，在改善生活質(zhì)量的同時(shí)，也擔(dān)負(fù)著節(jié)能降耗的重任。但是，現(xiàn)有的大多數(shù)電器不具備智能用電管理的功能，這使智能家居中的用電負(fù)荷監(jiān)測(cè)和需求側(cè)管理都面臨著困難。同時(shí)，隨著分布式發(fā)電（如屋頂光伏）和家庭儲(chǔ)能設(shè)備的推廣應(yīng)用，也需要對(duì)逆變器輸出的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由此可見(jiàn)，電能信息采集系統(tǒng)在智能家居中發(fā)揮著重要作用，它為各種用電負(fù)荷的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和智能控制提供重要的實(shí)時(shí)信息，使智能家居中的用電更安全高效［1-3］。

為此，文中設(shè)計(jì)了面向智能家居的電能信息采集系統(tǒng)。結(jié)合家庭實(shí)際環(huán)境和減少布線的要求，文中設(shè)計(jì)的電能信息采集系統(tǒng)采用無(wú)線通信來(lái)傳輸用電信息和控制指令，保證了電能信息采集模塊可以靈活地布置在入戶總線、用電設(shè)備、重點(diǎn)支路等位置。主控模塊對(duì)各種負(fù)荷的電能信息進(jìn)行集中采集和管理，方便用戶實(shí)時(shí)了解用電情況，做出合理的用電方案。當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)處理，以保證其它設(shè)備的正常運(yùn)行，減少故障影響范圍。

1　總體設(shè)計(jì)方案

電能信息采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用STM32作為主控制器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊的工作，通過(guò)無(wú)線方式與各節(jié)點(diǎn)通信，對(duì)接收數(shù)據(jù)處理后完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示和異常處理功能。主控制器向各采集模塊發(fā)送采集命令，采集模塊完成設(shè)備或支路電能數(shù)據(jù)的采集并上傳。各模塊的工作電源由220 V轉(zhuǎn)5 V功率為2.5 W的AC/DC提供，為保證主控制模塊的可靠工作它的工作電源由入戶側(cè)接入，各采集模塊則由接入點(diǎn)取電。線路開(kāi)關(guān)與采集模塊配合使用，用來(lái)控制采集模塊接入位置的通斷。采集系統(tǒng)的通信接口，可以根據(jù)需要連接遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸裝置，進(jìn)而達(dá)到對(duì)家庭電能信息遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1STM32主控制器

STM32F103ZET6是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARM核心32位增強(qiáng)型微處理器，帶有外部總線，可以用來(lái)外擴(kuò)SRAM和連接LCD等要求數(shù)據(jù)傳輸速率高的設(shè)備。其工作頻率最高可達(dá)72 MHz，而且資源豐富，功耗低，為工業(yè)控制、智能儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了性價(jià)比很高的選擇。

主控制器外圍包括SD存儲(chǔ)，LCD顯示，無(wú)線通信等模塊。因?yàn)?STM32系列芯片工作電壓為 3.3 V，因此利用AMS1117設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路。STM32外圍模塊如圖2所示。

2.2電能信息采集模塊

采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，它承擔(dān)著電能信息測(cè)量和數(shù)據(jù)上傳的功能。經(jīng)過(guò)對(duì)比我們選擇單相專用電能計(jì)量芯片RN8209完成采集的任務(wù)［4］。RN8209可以測(cè)量有功功率，無(wú)功功率，用電能量，電壓電流和線頻率等參量，并且支持全數(shù)字的增益、相位和offset校正。它內(nèi)部的電源檢測(cè)電路可以保證上電和斷電時(shí)芯片可靠工作，很適合電能采集領(lǐng)域。L線電流經(jīng)采樣電阻輸入V1通道，N線電流經(jīng)互感變換輸入V2通道，線電壓經(jīng)電阻分壓電路輸入電壓采集通道，RN8209采集電路設(shè)計(jì)如圖3所示。數(shù)據(jù)的讀取和上傳功能，由一片8位低功耗單片機(jī)UPD78F9224和無(wú)線通信芯片來(lái)完成。單片機(jī)以SPI方式與RN8209通信，讀取采集數(shù)據(jù)并按照通信協(xié)議處理后通過(guò)NRF24L01向主控制器上傳。

圖1　采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2　STM32外圍模塊

2.3顯示模塊

為了方便掌握家庭實(shí)時(shí)用電信息，主控制器擴(kuò)展了一塊2.8寸TFTLCD顯示屏，支持16位真彩顯示，分辨率達(dá)到320×240，它由ILI9320液晶控制器來(lái)控制顯示數(shù)據(jù)。LCD接于主控制器FSMC接口；FSMC可以與同步或異步存儲(chǔ)器連接，LCD在此當(dāng)作SRAM設(shè)備接入FSMC的數(shù)據(jù)總線。它的RS控制端接FSMC的10號(hào)地址線，引腳電平為0表示寫命令，為1表示寫數(shù)據(jù)。其電路如圖2中LCD所示。

正常運(yùn)行時(shí)循環(huán)顯示各節(jié)點(diǎn)的電壓電流，有功，頻率和用電量等信息。通過(guò)按鍵輸入，用戶可以查詢歷史用電數(shù)據(jù)。當(dāng)線路故障時(shí)，在LCD下方顯示故障節(jié)點(diǎn)編號(hào)，便于快速定位故障位置。

2.4存儲(chǔ)模塊

系統(tǒng)要記錄大量的電能參數(shù)，我們選擇一片1G內(nèi)存的SD卡來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，它兼容3.3 V電平，可以與主控制器引腳直接相連，并且方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理和應(yīng)用，如方便上層能量管理系統(tǒng)根據(jù)歷史用電規(guī)律實(shí)現(xiàn)削峰填谷，優(yōu)化區(qū)域能量管理。本設(shè)計(jì)中SD卡通過(guò)SPI模式傳輸數(shù)據(jù)，將其接于主控制器SPI2端口，電路如圖2中SD模塊所示。

為了對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分類精細(xì)化管理，主控制器移植了FATFS文件系統(tǒng)，只需調(diào)用應(yīng)用層的接口函數(shù)就可以完成對(duì)文件的讀寫等操作。主控制器以天為時(shí)間單位，對(duì)每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)TXT格式的文件，每個(gè)節(jié)點(diǎn)每天的數(shù)據(jù)都完整保存下來(lái)，并對(duì)整體的負(fù)荷加和記錄，便于掌握家庭負(fù)荷規(guī)律和實(shí)現(xiàn)故障追憶的功能。

2.5其他模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊：本設(shè)計(jì)選用NRF24L01實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，它工作在2.4～2.5 GHz頻段，內(nèi)置PCB天線，整個(gè)模塊體積小巧，并且高效GFSK調(diào)制，特別適合于在家居環(huán)境中實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信的場(chǎng)合［5］。主控模塊和各節(jié)點(diǎn)通過(guò)設(shè)置NRF24L01的工作模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

線路開(kāi)關(guān)：線路的通斷要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)判斷和控制，因此選用由弱電控制的固態(tài)繼電器作為線路開(kāi)關(guān)。固態(tài)繼電器由采集模塊的單片機(jī)I/O引腳控制，當(dāng)I/O輸出為低電平時(shí)，線路正常供電。當(dāng)測(cè)量到數(shù)據(jù)異常時(shí)，I/O輸出高電平，該支路停止供電。

報(bào)警模塊：選擇一個(gè)3.3 V驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器來(lái)提示人們異常用電信息。當(dāng)采集到電壓電流超過(guò)限定值時(shí)，主控制器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)提示異常情況，對(duì)系統(tǒng)復(fù)位后恢復(fù)正常。

圖3　RN8209外圍電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1通信方案

數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確可靠是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提條件，通過(guò)對(duì)NRF24L01的配置實(shí)現(xiàn)主控制器與多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的雙向數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)線芯片均設(shè)置為Enhanced Shock BurstTM收發(fā)模式，數(shù)據(jù)低速?gòu)奈⑻幚砥魉腿?，但高速發(fā)射，與射頻協(xié)議有關(guān)的高速信號(hào)處理都在片內(nèi)完成。主控制器把接收機(jī)的地址和發(fā)送的有效數(shù)據(jù)按時(shí)序送入NRF24L01，啟動(dòng)發(fā)送模式，在此過(guò)程中CE引腳要保持10 μs以上高電平。射頻數(shù)據(jù)在打包過(guò)程中自動(dòng)完成加字頭和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)包高速發(fā)射成功后，IRQ引腳產(chǎn)生中斷，主控制器做相應(yīng)處理。

主控制器設(shè)置本機(jī)地址和接收數(shù)據(jù)包的大小，設(shè)置CONFIG寄存器進(jìn)入接收模式，把CE置高，芯片進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)等待采集模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包的到來(lái)。接收到正確的數(shù)據(jù)包后，NRF24L01自動(dòng)把字頭，地址和CRC校驗(yàn)位移去，標(biāo)志寄存器的RX_DR置位。IRQ引腳產(chǎn)生中斷，通知主控制器，控制器讀出數(shù)據(jù)后清除標(biāo)志寄存器，完成一次采集過(guò)程。采集模塊無(wú)線芯片均設(shè)置為接收模式，當(dāng)接收到采集命令后，此節(jié)點(diǎn)將有效數(shù)據(jù)處理后，啟動(dòng)發(fā)送模式，數(shù)據(jù)發(fā)送后再次進(jìn)入接收模式。主控制器與各節(jié)點(diǎn)用MODBUS協(xié)議作為通信標(biāo)準(zhǔn)［6］，協(xié)議采用主從原則通信，主機(jī)發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制繼電器狀態(tài)，采集命令結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1　采集命令結(jié)構(gòu)

3.2程序流程

系統(tǒng)編程以C語(yǔ)言模塊化設(shè)計(jì)，用STM32 V3.5版本的固件庫(kù)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程。程序主要包括發(fā)送子程序，接收子程序，采集子程序，顯示子程序和存儲(chǔ)子程序。主程序的主要功能是實(shí)現(xiàn)主控制器與各節(jié)點(diǎn)的輪流通信，主控制器將接收的有效數(shù)據(jù)解析后完成相應(yīng)處理，當(dāng)線路異常時(shí)，進(jìn)入故障處理子程序。在初始化階段完成實(shí)時(shí)時(shí)鐘開(kāi)啟，通信接口設(shè)置，無(wú)線芯片狀態(tài)配置等工作，為后續(xù)調(diào)用各子程序完成相應(yīng)功能做準(zhǔn)備，主程序流程如圖4所示。

故障處理子程序：主控制器記錄節(jié)點(diǎn)編號(hào)，在LCD下方用紅色字體顯示，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，向采集模塊發(fā)出指令，該節(jié)點(diǎn)的F9224引腳輸出高電平，固態(tài)繼電器斷開(kāi)該支路。待系統(tǒng)復(fù)位后，重新進(jìn)入正常狀態(tài)。

4　實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試采集系統(tǒng)的整體工作效果，我們接入5個(gè)采集模塊組建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室全天用電信息。采集模塊1用于監(jiān)測(cè)逆變器輸出狀態(tài)，選用4片額定輸出270 W的光伏板經(jīng)并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)供電。其余4個(gè)采集模塊分別接入市電插座，照明線路等位置，用于對(duì)實(shí)驗(yàn)室用電器和照明線路電能信息的計(jì)量和線路監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，采集系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確計(jì)量各采集點(diǎn)的電能參數(shù)并可靠通信。采集系統(tǒng)記錄全天光伏功率輸出和實(shí)驗(yàn)室整體用電曲線如圖5所示。

圖4　主程序流程圖

圖5　全天電能信息曲線

5　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)分布式能源和儲(chǔ)能設(shè)備接入以及需求側(cè)管理給家庭采集計(jì)量設(shè)備帶來(lái)的難題，文中用STM嵌入式系統(tǒng)為主控制器設(shè)計(jì)了電能信息采集系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作方式靈活，成本低的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中取得了良好效果，實(shí)現(xiàn)了用電負(fù)荷的全局在線監(jiān)測(cè)，并且便于擴(kuò)展，并能夠在線路異常情況下主動(dòng)完成故障處理，提高了用電的安全性和電能管理的智能化水平。本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)家庭用電的在線監(jiān)測(cè)和智能控制提供了可靠的解決方案，在智能家居和智能樓宇等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

［1］Weiliang Zhao，Lan Ding，Cooper P，et al.Smart home electricity management in the context of local power resources and smart grid［J］.Journal of Clean Energy Technologies，2014，2（1）:79-85.

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Real time data acquisition system for electric power consumption of the smart home

LIU Ying-shu，YANG Xu-hui
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Real time monitoring of the power consumption and optimized operation of the electric loads in the smart home enables the goal of energy conservation to be achieved.Then the ARM STM32 embedded system based real time data acquisition system is design in this paper.The presented system consists of the modules of power consumption data acquisition，wireless communication，LCD display，data storage，and fault alarm，which provides the functions of real time data acquisition on power consumption，display and query of historical data，as well as fault alarm.Experimental results show that the presented system facilitates elaborated managements of electric load operation，meeting the requirements of the smart home.

STM32；real time data acquisition；RN8209；smart home

TP368.1

A

1674-6236（2016）14-0122-04

2015-09-20稿件編號(hào)：201509137

劉迎澍（1971—），男，天津人，博士，副教授。研究方向：基于Web的信息與控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用、智能電網(wǎng)。