基于物聯網的智能開關

【摘要】 智能保護開關監控系統以數字信號處理技術和物聯網技術為核心，可實現電網單相電的電壓、電流、瞬時功率、功率因數、電能、漏電和過載等電力參數的即時測量，并監測環境的溫濕度狀況。該課題研究的是一種集監控、保護、通信為一體，集成了漏電、過載等多功能保護，以加入手持端的開發和Android客戶端、結合ZigBee和WiFi通信技術為創新點，用戶可以隨時查看配電網用電狀況，并可以進行遠程控制的智能保護開關。該設計是一種能滿足現階段及將來智能電網需求的較為理想的智能保護開關的解決方案。

關鍵詞：電能質量；智能電網；Zigbee；遠程控制

Intelligent Swich Based on Internet of things

Li Lei1，Lv Changzhi1 Shandong University of science and technology

Abstract：Intelligent protection switch monitor system with digital signal processing technology and Internet technology as the core， which can realize the voltage， current and the instantaneous power of the power grid， power， power factor， leakage and overload real-time measurement of electrical parameters and monitor the environment temperature and humidity conditions. The research is a intelligent switch which set of monitoring， protection， communication as a whole， to join the development of handheld terminal and Android client， the combination of ZigBee and WiFi communication technology innovation， the user can view the home energy use status at any time， and can be remotely controlled. This design is a kind of can meet the demand of present and future smart grid ideal solution of intelligent protection switch.

Keywords：power quality ；smart power grid ；zigbee ；remote control

引言

在國家戰略規劃層面上，智能電網已經成為經濟刺激計劃的一部分。國家電網在2009年7月確定了智能電網的發展規劃。2012-2015年為全面建設階段，加快特高壓電網和城鄉配電網建設，初步形成智能電網運行控制和互動服務體系；2016-2020年全面建成統一的“堅強智能電網”[1]。

在社會應用層面上，隨著電子信息技術和物聯網技術的推進，智能配電設備技術突飛猛進，智能配電設備解決方案逐步向一次設備加上內嵌的智能組件，完成包括測量、控制、狀態監測、計量、保護等所有功能發展[2-3]。目前民用電能監控設備種類繁多，但大多價格昂貴，或功能較原始，不能滿足物聯網時代智能電網控制的需要[4]。該課題研究的是一種集監控、保護、通信為一體，以加入手持端和Android客戶端的開發為創新點，適用范圍較廣的智能配電控制解決方案。

一、系統總體結構

該系統主要包括智能開關節點、手持端、Android客戶端和PC端四個部分，如圖1所示。智能開關應用電力電子技術實現電力參數（電壓、電流、瞬時功率、功率因數）、電能及溫濕度的測量，每個智能開關上的Zigbee模塊都具有路由功能，能以最優路徑將數據發送給手持端，同時可實現開關的遠程控制[5-6]。

手持端是一個可移動的監視和操作平臺，通過ZigBee通信與智能開關連接可方便用戶隨時查看用電情況，進行監控；另外由于手持端的加入，當維修人員需對某處故障線路進行斷電維修時，只需操作手中的手持端就可進行開合閘測試，方便快捷。

每個智能開關上的WiFi模塊可以將數據通過路由器上傳到Internet云端服務器，用戶可以通過手機訪問云端服務器獲取數據信息，也可以直接連接WiFi模塊本身信號直接獲取數據信息。

二、系統硬件的設計與實現

2.1智能保護開關

開關以STC12C5A60S2單片機為核心，選擇V9401電能計量芯片，分別采集零序電流以獲得漏電信息，采集電流、電壓以獲得電能質量信息，采集溫濕度以獲得開關工作環境信息，所獲信息以1.11寸LCD顯示，同時將該信息用Zigbee和WiFi技術無線發送給手持端或Android端，進行遠程數據交換和控制[7]，結構框圖如圖2所示。

零序電流傳感器感應出輸電線路中的漏電流，接1K電阻，將漏電電流轉化成小電壓信號，該電壓經過放大、濾波和精密整流電路后送MCU的ADC進行裝換，獲得漏電電流的數字量后進行處理與顯示[8]。

采用DHT11數字溫濕度傳感器，它以單總線數字信號傳輸，能精確檢測開關周圍環境溫濕度，在超溫、濕度過大時可以控制開關自動斷電保護。

2.2手持端

移動手持端結構框圖如圖3（a）所示，集合MCU、LCD、鍵盤輸入、zigbee和與PC通信串口通信設備。手持端上設有四個按鍵用來對節點端控制和參數設置，如圖3（b）所示。

三、系統軟件的設計與實現

該系統軟件設計主要包括智能開關和手持端的C語言程序設計、PC上位機的VB語言設計和Android端APP設計。軟件設計流程圖如圖4所示。

3.1 PC端

PC端上位機用VB語言編程實現，控制面板界面如圖5所示，界面分為通信參數與終端設置、開關運行狀態、閘刀遠程操作信息三個模塊。

通信參數與終端設置模塊對與移動手持端的串口通信參數進行設置，并對智能保護開關進行選擇；開關運行狀態模塊包括各電力參數、開合閘狀態以及形象化的溫濕度顯示；刀閘遠程操作模塊可以對指定終端進行遠程拉閘、合閘操作。

3.2 Android客戶端

Android客戶端采用Java語言，分為定位、登陸、功能顯示三個界面，如圖6所示。APP打開后軟件首先進行自動定位，并顯示當前所在位置，選擇自己位置后進入開關節點選擇列表，然后選擇我們需要查看的開關節點進入參數顯示界面和控制面板。

四、系統實測數據與分析

將儀器測的值設為標準值，智能開關手持端上顯示的值為實測值，其結果如表1所示。

經過實測，該系統所采用的Zigbee模塊在無障礙情況下通信距離可達兩公里；在生理實驗室（一樓）和三樓樓道可準確實現測控，普通樓層之間通信距離能達三層，若各樓層都安裝該開關保護裝置并實現Zigbee的自組網和路由功能，完全可以勝任整棟樓的通信。

五、結論

目前，家用保護開關產品種類繁多，但都還停留在開關本身的多功能化上，忽略了當今智能家居里的主體，即主人。該論文中針對這種現象，設計出一款集電能計量、電網監控、保護、通信為一體，并加入手持端和Android客戶端，結合ZigBee和WiFi通信技術的智能保護開關。該開關可以進行漏電保護、過載保護、短路保護、欠壓保護、火災預警等自保護功能，各種保護閾值可以通過手持端設置，適用場合非常廣泛。經過測試驗證，效果良好。

參 考 文 獻

[1]行業資訊>2014年智能電網市場分析.網絡http：//www.chinahyyj.com/hangyezixun/28715.html[2]蘇凱凱.智能配電監測系統的設計與開發[D].北京交通大學，2012：1-12.

[3]徐立波，鮑可進.智能節能用電系統的研究與設計[J].計算機工程與應用，2011，47（6）：55-57.[4]王藝璇，董鑫正. 智能化電能監控解決方案[J].電腦知識與技術，2013（13）：3166-3169.

[5]韋佳.基于ZigBee無線傳感器網絡的智能開關研究與設計[D].江南大學，2012：18-32.

[6]Lei S M， Liang H Y， Sheng Z， et al. The design of wireless sensor node based on Zigbee for salinity measurement[C].International Conference on ICECC 2011. Ningbo，China.2011：2355-2358.

[7]白劍波.Zigbee技術及其在樓宇自動化系統中應用的思考[Jl.智能建筑與城市信息，2006（1）：102-104.

[8]黃新波，方壽賢，王霄寬等.基于物聯網的智能高壓開關柜設計[J].電力自動化設備，2013，33（2）：147-151.