何 勉

(陜西理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

0 引言

隨著人們安全意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)家庭安全用電有了更高的要求。在傳統(tǒng)的用電過程中，用戶無法實(shí)時(shí)查看電力數(shù)據(jù)，導(dǎo)致出現(xiàn)電壓異常或過電流等安全隱患時(shí)不能及時(shí)處理，造成用電安全事故。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云技術(shù)已逐步應(yīng)用到家庭用電領(lǐng)域[1-5]，使得遠(yuǎn)程監(jiān)控用電情況成為可能。

本文設(shè)計(jì)的基于阿里云的家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)，采用電能計(jì)量模塊采集電力數(shù)據(jù)[6-8]，用戶可在本地通過觸摸屏查看相關(guān)數(shù)據(jù)和控制家庭電源開關(guān)，當(dāng)線路出現(xiàn)低電壓或過電流時(shí)，系統(tǒng)采取速斷保護(hù)并報(bào)警。采用Wi-Fi模塊將系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，運(yùn)用阿里云技術(shù)將電力數(shù)據(jù)采集上云，并通過云平臺(tái)提供的設(shè)備管理和運(yùn)維能力實(shí)現(xiàn)家庭用電的遠(yuǎn)程監(jiān)控，安全穩(wěn)定，維護(hù)方便。

1 基于阿里云的家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于阿里云的家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)由家庭電能采集端和遠(yuǎn)程監(jiān)控端兩部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 基于阿里云的家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

家庭電能采集端由STM32控制器、電能計(jì)量模塊、Wi-Fi模塊、繼電器模塊、觸摸屏和報(bào)警模塊等部分組成，負(fù)責(zé)采集電力數(shù)據(jù)并通過Wi-Fi傳輸?shù)桨⒗镌破脚_(tái)，同時(shí)執(zhí)行阿里云平臺(tái)發(fā)來的電源控制命令。

遠(yuǎn)程監(jiān)控端由阿里云平臺(tái)、手機(jī)APP和WEB頁(yè)面組成。阿里云平臺(tái)提供安全可靠的設(shè)備連接通信功能，支持設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云和云端數(shù)據(jù)下發(fā)到設(shè)備端，同時(shí)還提供了IOT studio開發(fā)手機(jī)APP和WEB頁(yè)面，用戶通過手機(jī)APP或WEB頁(yè)面就可以實(shí)現(xiàn)家庭用電情況的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

主控制器選用STM32F103C8T6單片機(jī)，該單片機(jī)的外圍電路包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路和RS232串口電路等。STM32F103C8T6單片機(jī)的工作頻率高達(dá)72 MHz，內(nèi)置20 kB的SRAM、64 kB的FLASH，擁有36個(gè)通用IO口、5路串口，具有高性能、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)需要。

2.2 Wi-Fi模塊

主控制器接入互聯(lián)網(wǎng)采用Wi-Fi方案，Wi-Fi模塊選用上海慶科信息技術(shù)有限公司開發(fā)的EMW3080模塊，該模塊高度集成ARM CM4F，最高主頻133 MHz，內(nèi)置256 kB的SRAM、2 MB的FLASH，外設(shè)接口資源豐富，能夠滿足大部分的應(yīng)用需求。

EMW3080模塊采用3.3 V單電源供電，與主控制器采用串口通信方式，模塊的WIFI_TXD和WIFI_RXD引腳分別連接STM32F103C8T6單片機(jī)USART2的PA_3、PA_2，WIFI_RST連接PA_4。Wi-Fi模塊與STM32的通信接口電路如圖2所示。

圖2 Wi-Fi模塊與STM32的通信接口電路

2.3 電能計(jì)量模塊

電能計(jì)量模塊采用CS5463模塊。CS5463是一個(gè)包含兩個(gè)ΔΣ模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、功率計(jì)算功能、電能到頻率轉(zhuǎn)換器和一個(gè)串行接口的完整的功率測(cè)量芯片，可以精確測(cè)量瞬時(shí)電壓、電流和計(jì)算IRMS、VRMS、瞬時(shí)功率、有功功率和無功功率等，具有與微控制器通信的雙向串口和片上系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，具有溫度傳感器、電壓下降檢測(cè)和相位補(bǔ)償功能。

本系統(tǒng)使用的CS5463模塊采用ZMCT118A型電流互感器測(cè)量電流，采用ZMPT101B型電壓互感器測(cè)量電壓，這兩種互感器體積小、精度高，適用于電力測(cè)量和保護(hù)。CS5463模塊與STM32的連接電路如圖3所示。

圖3 CS5463模塊與STM32的連接電路

2.4 繼電器模塊

本系統(tǒng)選用30 A雙路光耦隔離繼電器模塊，總電流可達(dá)60 A，可以滿足系統(tǒng)要求。繼電器控制家庭電源的總開關(guān)，一般情況下處于接通電源狀態(tài)，只有當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到低電壓或過電流時(shí)主控制器才控制繼電器切斷總電源。STM32F103C8T6單片機(jī)的PA7口通過光電耦合器接入繼電器的工作電路，解決了電壓匹配和弱強(qiáng)電隔離的問題。

2.5 顯示模塊

電能采集端通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示電力數(shù)據(jù)和手動(dòng)控制電源開關(guān)，觸摸屏選用深圳市淘晶馳電子科技有限公司生產(chǎn)的3.2寸串口智能屏，該屏通過串口與主控制器交互指令，其串口引腳RXD、TXD分別連接STM32F103C8T6單片機(jī)UART4的PC10(TXD)、PC11(RXD)。觸摸屏人機(jī)界面的制作由上位機(jī)軟件完成。

2.6 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊選擇有源蜂鳴器，使用三極管開關(guān)電路來驅(qū)動(dòng)，STM32F103C8T6單片機(jī)的PA8口控制PNP型三極管的基極，當(dāng)系統(tǒng)采集到的電壓值和電流值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，單片機(jī)控制PA8口輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器給出報(bào)警提示。

2.7 保護(hù)部分設(shè)計(jì)

通過判斷電壓和電流的測(cè)量值是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，從而判定是否低電壓或者過電流，進(jìn)而實(shí)行速斷保護(hù)。低電壓保護(hù)的整定值設(shè)置為國(guó)家電網(wǎng)220 V單相供電的標(biāo)準(zhǔn)下限值，即220(1-10%)=198 V。過電流保護(hù)的整定值是在統(tǒng)計(jì)家庭用電功率及同時(shí)率后計(jì)算出同時(shí)在線電器的工作功率和電流，再留出一定裕度作為整定值，本系統(tǒng)過電流保護(hù)整定值設(shè)置為40 A。當(dāng)啟動(dòng)速斷保護(hù)后，在3 s后進(jìn)行自動(dòng)重合閘，如果重合閘不成功則判定為系統(tǒng)故障，程序鎖死，觸摸屏手動(dòng)開關(guān)和遠(yuǎn)程控制端均無法控制電源通斷。

3 接入阿里云平臺(tái)及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 接入阿里云平臺(tái)

本系統(tǒng)接入阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是阿里云IOT提供的一款針對(duì)生活領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，提供了設(shè)備接入能力、移動(dòng)端的SDK及公版APP，能夠快速解決家電設(shè)備智能化的問題。

登錄阿里云網(wǎng)站，注冊(cè)阿里云賬號(hào)并完成實(shí)名認(rèn)證，開通生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)。登錄生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的控制臺(tái)，選擇工作站點(diǎn)為“中國(guó)站”，然后創(chuàng)建項(xiàng)目“家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)”，在項(xiàng)目下創(chuàng)建新產(chǎn)品，選擇相近品類“電工照明/插座”，選擇節(jié)點(diǎn)類型為“設(shè)備”，聯(lián)網(wǎng)方式為“WiFi”，數(shù)據(jù)格式為“Alink JSON”。最后根據(jù)系統(tǒng)的需要定義產(chǎn)品功能，功能定義如表1所示。

表1 產(chǎn)品功能定義

定義了產(chǎn)品功能后，進(jìn)入設(shè)備調(diào)試，選擇認(rèn)證模組EMW3080，并生成設(shè)備三元組，分別是Product Key(產(chǎn)品密鑰)、Device Name(設(shè)備名稱)、Device Secret(設(shè)備密鑰)。在人機(jī)交互頁(yè)面下載公版云智能APP并配置APP功能，選擇自定義的面板，配置APP的多語(yǔ)言管理方式和設(shè)備配網(wǎng)引導(dǎo)頁(yè)面，生成設(shè)備配網(wǎng)二維碼。配置設(shè)備“過電流告警”和“低電壓告警”，當(dāng)告警規(guī)則觸發(fā)后手機(jī)將發(fā)出震動(dòng)或聲音提醒。最后在批量投產(chǎn)頁(yè)面進(jìn)行產(chǎn)品發(fā)布。

3.2 電能采集端軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 燒錄AT固件

AT固件是運(yùn)行于Wi-Fi無線模塊上的軟件指令系統(tǒng)，通過該指令可以快速地為嵌入式設(shè)備增加無線通信功能，縮短開發(fā)周期。本系統(tǒng)需要使用專用下載軟件給EMW3080模組燒錄直連阿里云平臺(tái)的AT固件，借助主控MCU，通過UART串口與模組通信的方式，系統(tǒng)就可以配置入網(wǎng)、接入阿里云，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與阿里云平臺(tái)的無線通信功能。

3.2.2 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、串口、CS5463模塊、Wi-Fi模塊等。然后檢測(cè)設(shè)備綁定按鍵是否按下，當(dāng)開機(jī)按下綁定鍵表示第一次連接Wi-Fi，需要進(jìn)行手機(jī)APP配置入網(wǎng)，主控制器與Wi-Fi模塊進(jìn)行串口通信，通過發(fā)送AT指令綁定設(shè)備信息、設(shè)置服務(wù)器站點(diǎn)、開啟云服務(wù)、配網(wǎng)等，綁定鍵未按下則按照上次的配置信息直接入網(wǎng)連接阿里云。主控制器通過軟件模擬SPI總線與CS5463傳感器進(jìn)行通信，獲取當(dāng)前電壓、當(dāng)前電流、有功功率、功率因數(shù)、溫度等，并設(shè)置定時(shí)器每5 s將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)，同時(shí)在觸摸屏上顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)獲取的電壓或電流值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，啟動(dòng)速斷保護(hù)，3 s后重合閘，如果成功則恢復(fù)供電，否則程序結(jié)束，觸摸屏手動(dòng)開關(guān)和遠(yuǎn)程控制端均無法控制電源通斷。當(dāng)主控制器從串口接收到Wi-Fi模塊發(fā)來的云平臺(tái)控制命令后，系統(tǒng)執(zhí)行電源開關(guān)控制，并向云平臺(tái)發(fā)送當(dāng)前電源的開關(guān)狀態(tài)。系統(tǒng)軟件程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件程序流程

4 測(cè)試結(jié)果

在智能手機(jī)上安裝阿里云提供的公版云智能APP，打開APP，進(jìn)入“登錄”界面，注冊(cè)賬號(hào)后進(jìn)行登錄，然后在主頁(yè)使用APP掃描設(shè)備配網(wǎng)二維碼，在“連接Wi-Fi”頁(yè)面輸入Wi-Fi賬號(hào)和密碼，這時(shí)按下設(shè)備綁定按鍵打開設(shè)備電源，手機(jī)APP將根據(jù)Wi-Fi信息搜索并連接設(shè)備。連接成功后，手機(jī)頁(yè)面出現(xiàn)新設(shè)備“家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)”，點(diǎn)擊進(jìn)入用電監(jiān)控界面，采集的電力數(shù)據(jù)已經(jīng)顯示在手機(jī)APP上了，數(shù)據(jù)每5 s更新一次，如圖5所示。

圖5 手機(jī)APP監(jiān)控頁(yè)面 圖6 WEB監(jiān)控頁(yè)面

在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的IoT Studio下可以進(jìn)行WEB可視化開發(fā)，建立項(xiàng)目、綁定產(chǎn)品和設(shè)備后，在編輯器中拖拽組件到畫布上，配置組件的顯示樣式、數(shù)據(jù)源及交互動(dòng)作，就可以設(shè)計(jì)出WEB頁(yè)面，WEB監(jiān)控頁(yè)面如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合阿里云技術(shù)設(shè)計(jì)了家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用CS5463模塊實(shí)時(shí)采集家庭電力數(shù)據(jù)，通過Wi-Fi模塊傳輸?shù)桨⒗镌破脚_(tái)，用戶只需要使用手機(jī)APP或WEB頁(yè)面就可以完成對(duì)家庭用電情況的監(jiān)測(cè)，并可以遠(yuǎn)程控制電源的開啟和關(guān)閉，同時(shí)具有低電壓和過電流保護(hù)功能。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)家庭用電的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。