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(浙江工業(yè)大學 信息工程學院，杭州 310023)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，用電設備得到廣泛使用，用電設備高效管理成為了重要的課題。由于計算機網(wǎng)絡技術的高速發(fā)展，尤其是Internet/Intranet技術的廣泛應用，為基于網(wǎng)絡的設備管理系統(tǒng)的實施提供了堅實的技術基礎[1-3]。目前用電設備管理系統(tǒng)大多是對設備信息的靜態(tài)管理，實現(xiàn)設備基本信息的添加、刪除、記錄等管理功能，對用電設備工作狀態(tài)實時管理的系統(tǒng)卻不多見[4-6]。工作電流是用電設備重要的運行數(shù)據(jù)，通過電流能反映設備開關機狀況和運行狀況，可準確記錄設備利用率等[7]。本文提出并設計了一種基于電流檢測的用電設備運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)由采集節(jié)點、路由、云服務器等組成，整體結構框圖如圖1所示。通過在用電設備的電源側安裝電流采集節(jié)點，獲取設備工作電流，通過WiFi收發(fā)模塊傳輸?shù)皆品掌?。考慮到WiFi和云服務器之間通訊距離可能較遠(超出WiFi的最大傳輸范圍)，因此以路由作為橋梁，數(shù)據(jù)經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)跨地域遠距離傳輸。云服務器中部署的監(jiān)控系統(tǒng)獲取到采集節(jié)點數(shù)據(jù)時，根據(jù)預設的監(jiān)控策略進行實時顯示或者報警，并將處理后的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，以便日后查詢和統(tǒng)計等。系統(tǒng)采用B/S架構網(wǎng)絡管理模式，支持多用戶機制。用戶可以通過計算機、手機中的瀏覽器，在任何時間，不受地域限制地對用電設備的實時運行狀態(tài)進行查看。

圖1 系統(tǒng)整體結構框圖

2 采集節(jié)點設計

采集節(jié)點選用意法半導體公司生產(chǎn)的STM32F411芯片作為主控芯片，該微處理器具有功耗低，工作穩(wěn)定等特點[8]，能滿足整個系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)中使用USART1獲取設備電流值，USART2打印參數(shù)信息，方便查看調試信息，USART6與WiFi收發(fā)模塊進行數(shù)據(jù)通訊。硬件邏輯如圖2所示。外圍電路包括電源穩(wěn)壓模塊，電流采集模塊，WiFi收發(fā)模塊等。

圖2 采集節(jié)點硬件邏輯框圖

2.1 電流采集模塊

電流采集模塊的設計是本文的重點，是獲取設備電流值精確的關鍵，主要由HLW8032電流檢測芯片和采樣電阻等構成，電路原理圖如圖3所示。HLW8032是深圳合力為科技有限公司推出的單相功率計量芯片，是一款高精度的電能計量IC，內置了晶振和參考電源，不需使用復雜的設計電路和編寫復雜的軟件，具有外圍電路簡單、體積小、價格便宜的優(yōu)點。在1000:1的動態(tài)范圍內有效電流的測量誤差僅僅為0.5%[9]。采樣電阻使用錳銅電阻(成本低、精度高、溫度特性好)采樣設備電流，將獲取的電流信號通過芯片內部的ADC以及串口的轉換，實現(xiàn)將電流值模擬量轉化為數(shù)字量輸出。

圖3 電流采集模塊原理圖

HLW8032芯片引腳1接電源穩(wěn)壓模塊提供的5 V工作電壓，增加的電容主要起濾波作用。為防止出現(xiàn)電壓浮空而燒壞芯片的現(xiàn)象，將電路中的GND和AC220V-N作為同一個參考點。根據(jù)手冊最大采樣電流=最大壓差/采樣電阻阻值可知，當芯片引腳2和3承受39 mV最大壓差時，能測量設備最大電流為19.8 A，如果設備的電流超過此測量范圍，可以通過改變采集模塊的采用電阻大小來測量更大電流的用電設備。引腳4實現(xiàn)用電設備電壓采集，采用連續(xù)4個相同電阻來消除單個電阻耐壓不足和電網(wǎng)電壓波動問題，并通過由R33和C38組成的RC網(wǎng)絡進行濾波。引腳7為串口發(fā)送，實現(xiàn)和STM32F411中USART1接收引腳之間數(shù)據(jù)通訊。

2.2 微處理器

STM32F411與HLW8032以4800bps(波特率)通訊，并獲取存放在HLW8032芯片寄存器的電流數(shù)據(jù)，流程圖如圖4所示。當程序進入USART1中斷，通過對接收的數(shù)據(jù)進行判斷，當連續(xù)四個字節(jié)數(shù)據(jù)依次為0x5A,0x02,0xD8,0x20時，判定為接收到正確的電流數(shù)據(jù)，根據(jù)HLW8032芯片手冊可知需一次性連續(xù)接收24字節(jié)數(shù)據(jù)，將接收到的這些數(shù)據(jù)經(jīng)過函數(shù)處理。在處理函數(shù)中判斷HLW8032芯片中狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)大小，當狀態(tài)寄存器為0x55時，此時芯片誤差修正功能正常，電流參數(shù)寄存器可用，且電流寄存器未溢出，根據(jù)數(shù)據(jù)更新狀態(tài)寄存器狀態(tài)得出電流系數(shù)和電流周期，最終根據(jù)電流值的計算公式得到設備的電流值。

圖4 微處理器獲取設備電流值流程圖

電流值的計算方式為I=(電流寄參數(shù)寄存器/電流寄存器)*電流系數(shù)。由于選用2毫歐錳銅電阻采集設備電流，R=0.002 Ω，則電流系數(shù)=1/(R*1000)=0.5。

電流數(shù)據(jù)經(jīng)由WiFi收發(fā)模塊上傳到云服務器前需要對數(shù)據(jù)進行處理?？紤]到設備啟動電流有可能幾倍于工作電流，故從設備穩(wěn)定工作后開始采集電流數(shù)據(jù)。將得到的電流數(shù)據(jù)以三種不同頻率上傳:當電流值在額定電流值的一定范圍內(1.2倍)內波動時，數(shù)據(jù)以一定頻率(0.1 Hz)上傳;當電流值在額定電流值的一定范圍內(1.2倍～2倍)內波動時，數(shù)據(jù)以較快頻率(0.2 Hz)上傳; 當電流值超過額定電流值 (2倍)時，數(shù)據(jù)以更快頻率(1 Hz)上傳。處理電流數(shù)據(jù)策略如圖5所示。

圖5 微處理器處理電流數(shù)據(jù)策略流程圖

2.3 WIFI收發(fā)模塊

WiFi收發(fā)模塊是連接各個電流采集模塊與云服務器的紐帶。相比zigbee組網(wǎng)復雜，成本較高，傳輸速率低等不足，本系統(tǒng)采用ESP8266型號的WiFi收發(fā)模塊對微處理器處理的設備數(shù)據(jù)進行獲取，同時和云服務的通訊也通過該模塊。ESP8266是樂鑫公司的一款WiFi產(chǎn)品，其價格低廉，具有高性價比，是目前市面上非常流行的一款WiFi芯片。其具有不同工作模式，且支持透明傳輸。本設計采用透明傳輸模式(數(shù)據(jù)不發(fā)生任何形式的改變，傳輸過程透明)傳輸數(shù)據(jù)，為使WiFi收發(fā)模塊與云服務器遠距離通訊，需進行聯(lián)網(wǎng)配置，傳統(tǒng)的配網(wǎng)方式中采集節(jié)點連接新路由時需要修改底層代碼中路由的SSID和PSW，本系統(tǒng)使用網(wǎng)頁配網(wǎng)方式將SSID和PSW動態(tài)存入EEPROM中使設備數(shù)據(jù)經(jīng)過路由接入云服器。網(wǎng)頁配網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸流程如圖6所示。

圖6 網(wǎng)頁配網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸流程圖

WiFi收發(fā)模塊讀取到正確的SSID和PSW連接路由成功后，需要對其進行如下配置：WiFi模塊重啟操作，AT+RST; 配置數(shù)據(jù)加密方式，網(wǎng)絡訪問密碼，AT +WSKEY=WPA2PSK，配置ESP8266當前WiFi模式為station模式，AT+CWMODE=STA，STA組網(wǎng)方式是系統(tǒng)中由一個路由器作為無線網(wǎng)絡的中心節(jié)點，采集節(jié)點作為無線站點的組網(wǎng)方式；設置WiFi模塊為單連接模式, AT+CIPMUX=DISABLE；創(chuàng)建TCP連接(Socket客戶端)，配置云服務器名稱(IP地址)，80端口和第5通道進行數(shù)據(jù)傳輸,AT+CIPSTART=”TCP”,“47.106.204.25”,”80”,”5”；在透傳模式下，發(fā)送設備電流數(shù)AT+CIPSEND=”>”，進入透傳模式發(fā)送數(shù)據(jù)，每包數(shù)據(jù)以20 ms間隔區(qū)分。Socket客戶端配置云服務器名稱的目的在于socket客戶端對云服務器的尋址，云服務器打開80端口則是客戶端和服務器端數(shù)據(jù)交互通道，無需通過防火墻。

WiFi收發(fā)模塊與云服務器之間的通訊方式為RestFul API。其基于HTTP協(xié)議和json數(shù)據(jù)格式，適合平臺資源管理，平臺與平臺之間數(shù)據(jù)對接，使用短連接上報終端數(shù)據(jù)及時間序列化數(shù)據(jù)存儲等場景。其RestFul API應用程序設計的提出，改善了用戶接口跨多個平臺的可移植性，通過分離用戶接口和數(shù)據(jù)存儲，使得不同用戶終端與單一服務器數(shù)據(jù)交互成為了可能。方案中WiFi收發(fā)模塊作為TCP客戶端(socket)以RestFul API請求方式實現(xiàn)與云服務器數(shù)據(jù)交互。

3 云服務器

文獻[10]中設備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以智能網(wǎng)關為中心，以一定場所為單點，采用局域網(wǎng)的形式和服務器進行數(shù)據(jù)交互，用戶無法實現(xiàn)外網(wǎng)遠程訪問服務器中數(shù)據(jù)；本設計采用局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相結合的方式，以云服務器為中心，進行數(shù)據(jù)接收和處理，從而實現(xiàn)外網(wǎng)遠程訪問。云服務器采用騰訊云服務器，是一種處理性能優(yōu)越、安全可靠的計算服務，方便用戶建立數(shù)據(jù)中心，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活訪問和數(shù)據(jù)存儲計算[11]。云服務器的系統(tǒng)配置如表1所示。

表1 系統(tǒng)配置

云服務器分為控制臺、后臺服務和數(shù)據(jù)庫三部分，控制臺的功能相當于云服務器與外部應用進行溝通的橋梁，控制臺向下與采集節(jié)點通訊，采集節(jié)點中WiFi收發(fā)模塊作為socket客戶端向云服務器的控制臺傳輸設備電流數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫服務器主要是存儲采集的電流數(shù)據(jù)，以便用戶通過網(wǎng)頁隨時進行查詢設備運行狀態(tài)。WEB服務器端程序部署在Tomcat容器中，用Java語言編寫，采用MVC分層設計模型。數(shù)據(jù)庫采用Mysql數(shù)據(jù)庫。

在WEB服務器端程序設計中，為了同時接收多個用電設備的數(shù)據(jù)，使用Java多線程的方式來處理socket客戶端傳過來的json格式數(shù)據(jù)(key-value鍵值對)，具體流程如下：服務器根據(jù)socket類型創(chuàng)建socket，服務器為socket綁定對應的IP地址和端口號(80)，服務器接收到了用戶發(fā)來的socket連接請求時，被動打開socket，開始接收客戶端請求，直到socket客戶端返回連接信息。這時候服務器socket進入堵塞狀態(tài)，接收客戶端連接信息后返回，然后開始接收下一個用戶端請求。服務器端啟動socket.getInputstream()與客戶端建立連接，獲取WiFi收發(fā)模塊輸入的json數(shù)據(jù)，將其轉化為數(shù)組類型，調用socket.substring()方法解析數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過加載mysql的 jdbc驅動，建立與mysql數(shù)據(jù)庫連接，執(zhí)行insert語句后存入數(shù)據(jù)庫進行長期保存。

云服務器主要分4個功能:用戶管理、實時運行狀態(tài)、電流數(shù)據(jù)查詢、日志記錄，如圖7所示。

圖7 云服務器功能結構示意圖

云服務器使用XMLHttpRequest對象異步讀取數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，采用異步AJAX技術(不重新加載整個頁面的情況下，可以與服務器交換數(shù)據(jù)并更新部分網(wǎng)頁內容)對獲取的數(shù)據(jù)進行頁面實時顯示。

4 實驗測試分析

4.1 設備電流精度分析

圖8 WiFi連接協(xié)議圖 圖9 傳輸協(xié)議圖

以實驗室的電風扇、電腦、電熱壺作為實驗對象。實驗步驟：采集節(jié)點上電后，微處理器初始化，WiFi模塊切換為STA模式，接收網(wǎng)頁發(fā)送連接路由的SSID和PSW,和云服務器建立連接，將采集節(jié)點獲取的此三種設備電流值傳輸?shù)皆品掌魃?。如圖8所示，通過USART2查看具體連接協(xié)議和電流值(此為電風扇第一次傳輸數(shù)據(jù))。如圖9所示，通過協(xié)議實時將設備數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)絡寫入到云服務器數(shù)據(jù)庫(Mysql)中，傳輸協(xié)議中前四位表示的是設備的電流值，第五位表示的是設備的當前狀態(tài)，第六位和第七位分別表示的是設備號和實驗室號。

對不同設備電流的實時檢測，選取不同次數(shù)的電流采集模塊測量值和電流表測量值進行比較計算，如表2所示誤差在2%以內。

表2 實驗測量結果

4.2 設備運行狀態(tài)測試

為模擬微處理器處理電流數(shù)據(jù)策略的準確性，以實驗室(研究室)的4臺相同功率的電風扇作為實驗對象，模擬設備正常工作，不同報警的狀態(tài)。在實驗時，設定電風扇的閾值(定于0.13 A)，開啟電風扇1處于正常檔(一檔)，電風扇2處于較大風力檔(二檔)，電風扇3處于更大風力檔(三檔)，電風扇4處于關機。

通過實驗室用電設備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的界面可以查看4臺電風扇的運行狀態(tài)，綠色表示設備正常，灰色表示設備關機，黃色(一級報警)表示設備電流值超過設定閾值的20%，紅色(二級報警)表示設備電流值超過設定閾值的兩倍。如圖10所示。

圖10 電風扇運行狀態(tài)的實時監(jiān)控界面

根據(jù)設備運行狀態(tài)，查看數(shù)據(jù)庫中實時的運行信息，如圖11所示。其中eid字段為設備id號，ename為設備的名稱，elstarttime為設備開始工作的時間，elendtime為設備停止工作的時間，eltime為設備從開始運行到停止運行所經(jīng)歷的時長，lid為設備所處實驗室id號，lname為設備所處實驗室名稱，elvalue為設備關機之前最新一次電流值，estate為設備當前所處的狀態(tài)(0表示設備當前狀態(tài)為正常，1表示一級報警，2表示二級報警，3表示關機)。根據(jù)設定電風扇電流值閾值，獲取運行狀態(tài)，電風扇在數(shù)據(jù)庫中

電流值在設定閾值的相應倍數(shù)范圍內。與微處理器處理電流數(shù)據(jù)策略設定一致。

圖11 設備的運行信息

5 結語

本文設計的用電設備運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng),節(jié)點利用新型數(shù)字型電流采集芯片HLW8032來對設備電流進行獲取，解決了傳統(tǒng)電流檢測方法中存在的調理電路復雜問題。利用WiFi收發(fā)模塊實現(xiàn)設備的遠程聯(lián)網(wǎng)。云服務器系統(tǒng)的構建，使用戶通過瀏覽器可遠程查詢存儲在云服務器中設備運行狀態(tài)、設備過載報警信息等。系統(tǒng)通過測試可穩(wěn)定運行。下一步工作將主要集中在云服務器的功能完善，增加預警短信發(fā)送功能。