喬凌霄，劉澤禹，丁宇，樊澤，韓佳鑫

(山西能源學院電氣與控制工程系，山西晉中，030600)

0 前言

隨著我國工業(yè)技術的現(xiàn)代化，越來越多的工業(yè)設備開始與物聯(lián)網(wǎng)技術結合并迸發(fā)出巨大的市場和潛力。工業(yè)中大部分的交流用電設備（例如：發(fā)電機、電動機等）都采用三相交流電。為了得知三相電設備的工作情況，引入了電氣二次設備——三相電表。在我國，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，三相電表從原來的機械式發(fā)展成了目前最廣泛使用的數(shù)字式。但隨著工業(yè)技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)字電表已經(jīng)無法滿足企業(yè)對二次設備高效、快捷、無人值守的需求，因此，我們結合物聯(lián)網(wǎng)據(jù)技術，設計了一款三相電表，它可以同時檢測三相交流設備中電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)角等40多項參數(shù)，也可以將檢測到的參數(shù)繪制成圖表，以便操作人員查看。同時，該設備還具有儲存功能，當三相電設備斷電時，檢測裝置仍能保存三相電設備的各項參數(shù)。除此之外，該設備還能通過網(wǎng)絡，與操作人員進行交互，操作人員可以通過手機等終端遠程查看設備的各項參數(shù)，以便及時查看三相電設備的工作情況[1-3]。

1 總體設計方案

圖1為物聯(lián)網(wǎng)的智能三相電表的系統(tǒng)框圖，利用ATT7022E三相電計量芯片及其外圍電路獲取三相電設備中A、B、C、(N)相的相關參數(shù)并保存在芯片寄存器中。用戶通過觸摸屏向主控芯片STM32F103RBT6發(fā)送不同的控制指令，STM32F103RBT6主控芯片讀取ATT7022E三相電計量芯片寄存器中的相應數(shù)據(jù)后顯示在LCD顯示屏上，并通過網(wǎng)絡發(fā)送到服務器中以便用戶在移動設備上操作智能電表。該系統(tǒng)包括三相電讀取模塊、核心控制模塊、觸摸顯示屏模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊及其外圍網(wǎng)絡設施。三相電讀取模塊負責將高壓三相電模擬信號（Anolog-signal）轉(zhuǎn)換為低壓數(shù)字信號（Digital-signal），核心控制模塊負責多任務處理，將相應的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為用戶能讀取的信息并通過觸摸顯示屏模塊與用戶交互，物聯(lián)網(wǎng)模塊及其外圍網(wǎng)絡設施負責實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，通過打包為json消息，利用MQTT協(xié)議與公網(wǎng)服務器連接，方便遠程控制[4]。

圖1 總體方案設計圖

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 三相電讀取模塊模塊設計

圖2為ATT7022E測量芯片及其外圍電路，本設計采用的ATT7022E三相電計量芯片，通過SPI總線與主控芯片進 行數(shù)據(jù)通信，通過串聯(lián)一個小電阻在SPI信號線上，來減少干擾或抖動。這個電阻與IC輸入端的寄生電容C相結合起來可組成一個Low-passfilter，可以消除SPI接口信號上的任何振蕩，本次用電阻為100Ω。通過在輸入端加一個外接電容（10pF左右），可以增加數(shù)字輸入端的內(nèi)部電容。圖3為電壓測量電路，該電路采用電壓互感器，并通過電阻降低成比例降低至芯片所能承受的電壓范圍，圖4為電流測量電路采用電流互感器將模擬信號發(fā)送至測量芯片。圖5為PCB設計圖，圖6為實物圖[5]。

圖2 ATT7022E測量芯片及其外圍電路

圖3 電壓測量電路

圖4 電流測量電路

圖5 PCB設計圖

圖6 測量模塊實物圖

2.2 核心控制模塊模塊設計

本項目采用圖7所示的主控模塊STM32F103RBT6，該主控性能強大，功耗低，滿足三相電表的各項需求，通過SPI總線連接測量芯片，并讀取其寄存器中的數(shù)據(jù)。并且能利用I2C總線與圖8所示的AT24C02儲存器來存放測量的數(shù)據(jù)[6]。

圖7 STM32F103RBT6控制器

圖8 AT24C02儲存器

2.3 物聯(lián)網(wǎng)模塊及外圍網(wǎng)絡設施

對于物聯(lián)網(wǎng)部分，我們選用了當今最為流行的ESP8266物聯(lián)網(wǎng)模塊，ESP8266是一種專用于嵌入式系統(tǒng)的無限高保真網(wǎng)絡模塊，通過串口與STM32F103RBT6主控芯片連接，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，可以與Wi-Fi網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的功能。本項目的使用的云服務器為中國移動OneNET，OneNET是一個開放并易于開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。通過平臺將測量設備接入云端，通過開發(fā)部署，能在線查重設備數(shù)據(jù)于在線狀態(tài)和異常狀況[7]。

3 軟件系統(tǒng)設計

主控系統(tǒng)的軟件流程部分如圖9所示，程序在Keil5下開發(fā)，通過模塊化分解，將一個大程序按照功能劃分為若干個小程序模塊程序，將具體的問題抽象化，使得程序設計更加簡單、直觀，這樣不僅使程序易于編寫而且擴展性大大增強，將程序中經(jīng)常用到的一些功能編寫成通用函數(shù)，做到隨調(diào)隨用。極大的縮短了開發(fā)周期。軟件部分采用了LittlevGL圖形框架，它是一個免費的開放源代碼圖形庫，它不僅提供創(chuàng)建嵌入式GUI所需的一切功能，還可以實現(xiàn)一定的多任務處理功能。

圖9 程序流程圖

4 結論與展望

目前占據(jù)市場的電路測量工具為普通電表，僅僅具有單個測量的功能，智能電表打破了普通電表測量的功能，具有十分超前的競爭優(yōu)勢。而當今的企業(yè)不只局限于此，他們更追求智能化、簡單化、低耗能、低消費，而智能電表符合企業(yè)的需求，確實能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、簡單化、低能耗，從而實現(xiàn)低消費。由智能電表所能夠激發(fā)的產(chǎn)業(yè)鏈更是數(shù)不勝數(shù)，如三相電參數(shù)測量表。對于智能電的推廣和普及，我們應該不斷努力來突破技術瓶頸和完善市場營銷體系，讓智能電表更低價，更普及，更惠及廣大企業(yè)。圖10為產(chǎn)品運行圖。

圖10 產(chǎn)品運行圖