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        家用線路用電安全實時監(jiān)測系統(tǒng)

        2019-05-29 11:07:08林科業(yè)
        山東工業(yè)技術(shù) 2019年9期
        關(guān)鍵詞:用電安全電量監(jiān)測

        摘 要:用電安全關(guān)系到家家戶戶的人身財產(chǎn)安全,家用線路的老化、超負荷工作均可能導致火災(zāi)的產(chǎn)生,實時監(jiān)測線路的用電情況,防患于未然是必要的。本設(shè)計利用交流多功能通訊模塊、WIFI模塊和LPC2138設(shè)計了家用線路的用電安全監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)在手機終端上對線路上的電流、電壓、功率以及電量的實時監(jiān)測。通過串口,LPC2183連接了交流多功能通訊模塊和WIFI模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸,將交流多功能通訊模塊采集到數(shù)據(jù)通過WIFI模塊發(fā)送到手機終端上顯示,同時也接收手機終端下發(fā)的指令。

        關(guān)鍵詞:用電安全;監(jiān)測;LPC2138;WIFI;串口通訊;電量

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.126

        0 引言

        隨著當今社會信息快速發(fā)展,科技發(fā)展日新月異,安全檢測為當前的生活創(chuàng)造了巨大的便利,已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,如:智能交通監(jiān)控、銀行安保系統(tǒng)、航天航空、小區(qū)安防等,具有較大的研究價值與現(xiàn)實意義[1-3]。當前各種各樣的家用電器,隨著科技的發(fā)展走進了千家萬戶,我國的家庭用電量也在逐年的增加。由于許多家用線路存在著老化,超負荷的工作狀態(tài),用電安全事故時有發(fā)生,特別是夏天用電高峰期,給人民的財產(chǎn)和人身安全造成了嚴重的損失。本文針對家用線路存在的安全隱患,設(shè)計了基于wifi的用電安全實時監(jiān)測系統(tǒng),通過手機可以時刻查詢當前家庭線路的工作情況。

        1 系統(tǒng)設(shè)計

        系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖1所示。主控芯片采用LPC2138,實現(xiàn)對系統(tǒng)的管理與控制。主控芯片和手機端的通訊是通過WIFI模塊來實現(xiàn);與交流多功能通訊模塊通過RS232串口來實現(xiàn)指令的下發(fā)和數(shù)據(jù)的采集。主控芯片接收手機發(fā)送過來的WIFI信號,識別相應(yīng)的指令;然后發(fā)送相應(yīng)指令給交流多功能通訊模塊,獲取相應(yīng)的電壓、電流、功率或電量。交流多功能模塊接收到主控芯片下發(fā)的指令信號,采集家用用電線路的相應(yīng)信息,然后通過串口RS232發(fā)送給主控芯片。主控芯片接到信號后,再將采集到的信號經(jīng)過處理后通過WIFI模塊發(fā)送給手機端。手機端接收到信號后在,于手機的APP上顯示[4-6]。

        1.1 交流多功能通訊模塊工作原理

        系統(tǒng)對家用線路的信號的采集是通過交流多功能通訊模塊來實現(xiàn)的。如圖2所示,交流多功能通訊模塊能夠?qū)崿F(xiàn)當前電流、電壓、電功率和電量的采集。通訊模塊有四個輸入端口,L和N作為連接家用電路的火線和零線,另外兩個端子連接CT線圈。測量信號通過CT獲取,傳輸給PZEM-004T測量模塊進行處理,再通過串口RS232傳輸給STM32。STM32通過向交流多功能模塊下發(fā)相應(yīng)的命令,獲取電流、電壓、電功率或電量。圖中左邊下方的輸出端口是TTL電平接口,與LPC2138的串口相連。端口由上到下分別為VCC,RXD,TXD,GND。VCC接+5V,GND接地,RXD接PLC2138的USART1中TXD1,TXD接PLC2138的USART1中RXD1用于串口通信。交流多功能通訊模塊的傳輸波特率固定為9600bp/s,按照規(guī)定的內(nèi)容和特定的方式進行通訊。通訊時,PLC2138發(fā)送給模塊一串特定的十六進制數(shù)指令;模塊識別后做出回應(yīng),并返回一串十六進制數(shù);PLC2138根據(jù)通信規(guī)定解讀返回的內(nèi)容,得到想要的數(shù)據(jù)。該模塊具有保存掉電前累計的電量的數(shù)據(jù),也可通過按鍵清零電量[7-9]。

        1.2 主控芯片電路設(shè)計

        本系統(tǒng)設(shè)計的主控芯片采用了LPC2138,充分運用了芯片的USART0和USART1進行通訊。如圖3(a)所示,USART0的TXD0端口對應(yīng)著芯片的19引腳,RXD0端口對應(yīng)著芯片的21引腳。USART0是與WIFI模塊進行連接通訊,TXD0端口連接WIFI模塊的RXD_TTL,RXD0端口連接WIFI模塊的TXD_TTL。芯片的引腳33和引腳34分別對應(yīng)USART1的TXD0端口和RXD0端口。如圖3(b)所示,WIFI模塊采用ESP8266芯片,引腳7和引腳8分別對用RXD_TTL端口和TXD_TTL端口,并用5.6K的電阻作為上拉電阻,用二極管MBR0520使信號傳輸具有單向傳輸性。

        2 系統(tǒng)程序設(shè)計

        如圖4所示,系統(tǒng)的主程序流程前期工作主要包括相關(guān)變量的初始化,設(shè)置中斷的優(yōu)先級,啟動系統(tǒng)的時鐘,然后再分別對串口和WIFI模塊進行初始化。程序的運行主要是通過判斷用戶發(fā)送的查詢命令,LPC2138向交流多功能通訊模塊發(fā)下發(fā)命令,當下發(fā)命令B0 C0 A8 01 01 00 1A,則是查詢電壓;當下發(fā)命令B0 C0 A8 01 01 00 1A,則是查詢電流;當下發(fā)命令B0 C0 A8 01 01 00 1A,則是查詢功率;當下發(fā)命令B0 C0 A8 01 01 00 1A,則是查詢電量;交流多功能通訊模根據(jù)接受到的命令,按照通訊規(guī)定的內(nèi)容發(fā)送相應(yīng)的指令;LPC2138根據(jù)回復的數(shù)據(jù),進行解析,經(jīng)過處理后發(fā)送到手機終端上顯示。

        在本設(shè)計中串口通信是本設(shè)計的核心,是連接整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。串口的初始化,包括串口時鐘是能,IO引腳模式的設(shè)置,串口參數(shù)的初始化,開始中斷。USART0在串口參數(shù)的配置時,波特率都配置為9600;由于USART1連接的是WIFI模塊,WIFI模塊的串口頻率是115200,即USART1的波特率都配置為115200。其他的串口參數(shù)設(shè)置都一樣,字長配置為8位;停止位為1;無奇偶校驗位;無硬件數(shù)據(jù)流控制;模式配置為收發(fā)模式。

        手機終端與WIFI模塊之間的通訊時通過AT指令來實現(xiàn)的。WIFI模塊的代碼由初始化WIFI模塊和操作WIFI模塊這兩部分組成。初始化WIFI模塊時,選用AP模式,以WIFI模塊作為熱點,而手機連接熱點進行通信,實現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。初始化的流程主要有,檢查WIFI模塊是否連接成功,選擇AP模式,重啟模塊配置AP參數(shù)(端口號、對外的SSID號、加密方式、密碼以及連接模式),選擇連接模式并開啟Server模式設(shè)置端口號。操作WIFI模塊,主要操作有:對接收命令進行判斷,發(fā)送交流多功能通訊模塊能夠識別的命令,并接收返回的數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行解析,最后發(fā)送到手機終端。

        3 實驗結(jié)果測試

        本系統(tǒng)測試實用2000W的吹風筒作為負載,進行數(shù)據(jù)采集。

        在手機終端上安裝網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手,采用TCP的傳輸模式,即應(yīng)答方式,只有在接收到命令的時候才返回數(shù)據(jù)[10-11]。在系統(tǒng)設(shè)計中,以WIFI模塊作為服務(wù)器端,手機終端作為客戶端,在連接好WIFI之后,打開網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手,選擇圖5中①的tcp client菜單,再點擊圖5中②區(qū)域的“增加”,就會彈出圖中的消息框,輸入要鏈接的WIFI模塊的IP地址和端口號,設(shè)置好后點擊消息框上的增加按鈕,成功后即可進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。圖5中③是進行數(shù)據(jù)發(fā)送的輸入窗口,圖5中④是進行數(shù)據(jù)接收的接收窗口。在實驗的過程中,WIFI模塊初始化沒成功或沒完成都可能導致連接不成功,需要等待一段時間或復位LPC2138。

        如圖6所示,圖6中的(a)-(d)是分別是對電壓,電流,功率,電量進行查詢返回的結(jié)果。在數(shù)據(jù)發(fā)送的輸入窗口中輸入電壓,電流,功率或電量,就可以查詢家用線路中當前電路工作的相應(yīng)信息。由于每個時刻家用線路的工作狀態(tài)是不一樣的,所以在手機終端上采集到的電壓,電流或功率數(shù)據(jù)信息在不同的時刻可能不同,電量在不清零的狀態(tài)下一直處于累加狀態(tài)。根據(jù)功率公式P=UI可計算出,測量結(jié)果存在一定的誤差,但誤差在允許的范圍內(nèi),系統(tǒng)工作正常,采集的數(shù)據(jù)也正確。

        如下圖所示:

        本系統(tǒng)實驗時選擇同一個吹風筒進行實驗。因為時間段不一樣,所以測出的電壓不同,導致功率與電流也不一樣,根據(jù)P=UI可計算出,在誤差允許范圍內(nèi),數(shù)據(jù)采集基本正確,系統(tǒng)工作基本正常。

        在實驗的過程中,因為電量是掉電不清零的,所以它的值是一直累加的。若想清零,可必須通過長按模塊上的按鍵,以達到電量清零的目的。

        (下轉(zhuǎn)第141頁)

        (上接第148頁)

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        基金項目:韓山師范學院教學改革項目(HJG1620)

        作者簡介:林科業(yè)(1985-),男,廣東汕頭人,碩士研究生,工程師,實驗師,研究方向:智能儀器與應(yīng)用,主要從事本科教學工作。

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