基于物聯(lián)網(wǎng)電器參數(shù)監(jiān)測裝置的研究

胡林峰，上官天鈞，倪志峰，闞 旋，鄭暮寅，丁苑沁

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院， 上海 201620)

引言

近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛，已經(jīng)應(yīng)用到人們生活的方方面面。如在物流配送、智慧停車位、環(huán)境保護、智能電力、智能家居、醫(yī)療管理、精細農(nóng)業(yè)等諸多方面。

隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的迅速發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)與電參數(shù)的測量結(jié)合起來將會是一種趨勢。這兩者結(jié)合的優(yōu)勢在于可以遠程檢測工作負載的運行狀態(tài)。如運用在家庭電路中就可以遠程監(jiān)測家中用電器的使用狀態(tài)，用戶可以通過了解自身用電情況調(diào)整和優(yōu)化自身用電行為來減小電能的浪費；運用在企業(yè)中就可以監(jiān)測設(shè)備的使用情況等等。也可以運用在電力公司中，用來監(jiān)測一片區(qū)域的用電狀況等等。這種遠程監(jiān)測可以分析區(qū)域內(nèi)用戶的用電行為，制定合理的反饋機制，能夠減少很多人工成本，也可以及時發(fā)現(xiàn)一些安全問題。用電器的監(jiān)測一般有兩種典型的實施方案：非侵入式監(jiān)測和侵入式監(jiān)測。非侵入式監(jiān)測利用算法和程序得出監(jiān)測裝置的電能參數(shù)，通過程序和數(shù)據(jù)管理識別用電器的工作狀態(tài)。侵入式監(jiān)測通過在每個用電器上安裝電能參數(shù)采集裝置來獲取電能數(shù)據(jù)。非侵入式方案相較于侵入式方案易操作、成本低、便于推廣。本次研究選用非侵入式方案，以STM32、WiFi模塊為基礎(chǔ)，90E36A為輔助，設(shè)計實現(xiàn)了低功耗實時性強和使用方便的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測裝置。

1 整體電路設(shè)計

系統(tǒng)總框圖如圖1所示。母線上連接有三相用電器，使用電壓互感器和電流互感器將電器參數(shù)調(diào)整到可檢測范圍，經(jīng)過整流電路、濾波電路、去浪涌電路、90E36A芯片實時采集電器參數(shù)。設(shè)備外接電路采用隔離采樣，用電器電信號不易干擾后級，穩(wěn)定性高。再由90E36A芯片的SPI接口將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱CSTM32F407上，之后通過單片機完成電器參數(shù)電壓、電流、功率因數(shù)角的實時計算，并根據(jù)這些參數(shù)分析母線負載的種類及數(shù)量，再由LED觸摸屏進行顯示，并通過外設(shè)ESP8266-WiFi模塊將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，由服務(wù)器對這些數(shù)據(jù)進行儲存，等待客戶端請求數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶。

圖1 設(shè)計原理圖

2 系統(tǒng)各單元電路分析和設(shè)計

2.1 傳感器模塊

經(jīng) ZMCT102 型 2A:2mA 的電流互感器將電流信號經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)化成小電壓信號，再通過電阻電容將信號濾波后輸入到 90E36A 的電流檢測引腳；而電壓互感器采用的是電流型電壓互感器[2]，其通過限流電阻得到1個 1 mA 的電流，系統(tǒng)采用 1∶1 的 TV1013-1H 型電流型電壓互感器，得到1個1 mA 的電流信號，再根據(jù)需要由取樣電阻取出相應(yīng)采樣電壓。輸入到 90E36A的電壓檢測，進行實時計算。

2.2 控制電路

近來，各種型號的微處理器漸漸步入實踐選擇的范疇，其中ARM系列的芯片已漸漸成為頂端的主流處理器。本文控制電路選用意法半導(dǎo)體(ST)開發(fā)的一種高性能微控制器STM32F407芯片為控制核心。微處理器采用ARM Cortex-M4內(nèi)核，主頻可達到168MHz，使用ART技術(shù)使得程序零等待執(zhí)行，提升了程序執(zhí)行的效率，而且集成了單周期DSP指令和FPU，提升計算能力，可以進行一些復(fù)雜的計算和控制。該芯片還集成有A/D、內(nèi)部EEPROM存儲器、比較輸出、PMW輸出、SPI接口異步串行通訊(USART)等。配有豐富的接口便于拓展外設(shè)，根據(jù)要求分別連接電能參數(shù)采集模塊、WIFI模塊、LED觸摸屏、按鍵等組成的檢測系統(tǒng)，精簡指令便于程序的編寫。

2.3 電能參數(shù)采集模塊

IDT90E36A是由IDT公司設(shè)計的一款三相電能計量芯片，該芯片集成了7個單獨的ADC，有AC 和 DC 校準和相位補償功能，支持數(shù)據(jù)串行傳輸，可實現(xiàn)三相四線系統(tǒng)中3個電壓通道(A、B、C相)和4個電流通道(A、B、C相和中線)的測量，可精確測量和計算各類電量參數(shù)，硬件軟件設(shè)計簡單、性價比高、穩(wěn)定性強。90E36A三相計量芯片擁有6000∶1的業(yè)界最寬動態(tài)范圍，結(jié)合專有溫度補償技術(shù)的最低溫度系數(shù)其可在各種應(yīng)用環(huán)境條件下保持極佳的性能，并且具有總諧波失真檢測的離散傅立葉變換分析引擎[3]。

2.4 無線傳輸電路

選用的 ESP8266 是ALIENTEK設(shè)計提供的一款低功耗高性能的 UART-WiFi透傳模塊，可以支持多路TCP-Client 連接，穩(wěn)定性好，非常適合用于大數(shù)據(jù)傳輸[4]。此模塊價格合理且適用范圍較為廣泛，選擇可以更便捷對接移動終端，更貼合物聯(lián)網(wǎng) + 功能。ESP8266通過串口與MCU通信，其內(nèi)部TCP/IP協(xié)議棧可以達到串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換。通過對MCU發(fā)送的AT指令進行識別反饋，配置其工作模式，此裝置使用多鏈接的TCP服務(wù)器，為終端分配專用通信通道。客戶端可以接入匹配端口，進行數(shù)據(jù)傳輸。WiFi模塊與STM32芯片的連接如圖2所示。

圖2 WiFi模塊與STM32芯片連接

3 測試結(jié)果

實際測試時所記錄的數(shù)據(jù)見表1，因?qū)嶒灁?shù)據(jù)過多，所以隨機選取部分實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

表1 參數(shù)測試結(jié)果

表2為單片機對電參數(shù)分析得到的結(jié)果的判斷。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以得出實驗結(jié)果較為理想。基本可以對負載接入的電器設(shè)備的種類做出判斷。

表2 電器識別結(jié)果

4 結(jié)束語

本文的研究實現(xiàn)了對母線負載的電壓、電流、功率因數(shù)的實時監(jiān)測，并將處理后的數(shù)據(jù)在用戶請求后實時發(fā)送給用戶。通過對收到數(shù)據(jù)的觀察就可以知道母線中負載電器接入的種類和數(shù)量。這種遠程監(jiān)測可以分析區(qū)域內(nèi)用戶的用電行為，制定合理的輸電機制，應(yīng)用前景十分可觀。