智能電能監測與安全控制裝置的設計

宋政瑤 陳帥奇 吳茜

摘 要：隨著社會的進步和人們生活水平的提高，人們對家庭生活的品質和便捷度的追求也越來越高，隨之越來越多的家用電器出現在我們的生活中，給我們帶來居住的便捷、舒適、幸福快樂的同時，也帶來了用電安全的隱患。為此，設計了一種安全便捷的智能電能監測與安全控制裝置。它在不破壞原有供電電路及用電器的基礎上，完成隨時查看家用電器的用電量、電費、用電時間等內容，以及定時通斷、設備報警的操作，以期望既能隨時查看用電情況，又能保證用電安全并能夠節省社會能源。

關鍵詞：智能監測;安全控制;電量計量;定時通斷;One Net平臺

中圖分類號：TM76 ? ? ? ?文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.08.010

Abstract ： With the progress of society and the improvement of people's living standards， people's pursuit of the quality and convenience of family life is also getting higher and higher， with more and more household appliances appearing in our lives， bring us the convenience and comfort of living， happiness， but also bring the hidden danger of electricity security. Therefore， this paper designs and presents a safe and convenient intelligent electric energy monitoring and safety control device. On the basis of not destroying the original household circuits and appliances， it completes the operation of checking the electricity consumption， electricity charge， electricity consumption time of the household appliances at any time， as well as the operation of regular on-off and equipment alarm， it is expected to be able to check the power situation at any time， but also to ensure the safety of power consumption， more can save social energy.

Key words ： intelligent monitoring; safety control; electricity metering; regular on-off; One Net platform

0 引言

隨著社會的發展，人們的生活越來越智能化和便利化，各類用電器成為了當今技術領域和市場的熱點研究對象，以不斷改善人們的生活品質，為人們提供一個舒適、便捷、安全的生活環境為目的創造智能產品，滿足人們日益增長的居住環境條件追求。

用電器不僅能夠提高人的幸福指數，還能夠為人們節省寶貴時間，但是用電器也帶來了安全隱患。為此提出并設計智能電能監測與安全控制裝置，在不破壞原有供電電路及用電器的基礎上，實現控制用電器的通斷，保證用電安全，在享受智能電器為用戶帶來方便的同時，也有效地緩解社會用電緊張的局面。

1 現狀分析

用電器工作時間過長、缺少漏電保護或負載過大，都可能會引起觸電甚至火災等多種故障。據統計，火災中由于用電不當而引起的占57%，尤其對于獨居老人，隨著年齡的增長，記憶的衰退，很容易忽視用電安全問題。因此，安全檢測和控制就顯得尤為重要，要想推動智能家居的長遠發展，安全檢測和控制不可或缺。

目前，國內外電力測量方案大多采用“ADC+DSP+單片機"的設計方案。這種設計方案雖然可以提高計量的準確度，可以根據特定的環境采用相應的計量算法，但是此方案分立元器件較多，可靠性難以保證，并且開發成本較高，未實現智能化人機交互，僅適用于相關電參量的測量。

2 方案提出

本設計提出一種新的方案（即電能計量集成模塊+單片機+執行控制裝置+無線通信模塊），電路結構簡單，系統穩定性強，成本較低，通過無線通信模塊來實現人機交互功能。雖然集成式電能計量模塊的精度和性能及其內部干擾會對系統產生限制，但對于家用電器的測量范圍，計量精度不必太高且計量系統不宜過大，經過近年來集成電路技術的發展，集成式電能計量模塊的性能和功能也越來越強大，精度和性能有了大幅度提升。

3 系統設計

系統由數據采集模塊、無線通信（Wi-Fi）模塊、集成式電量計量模塊、主控（單片機）模塊、實時時鐘、接口電路、繼電器、用電器構成。采樣電路、溫度檢測單元、構成數據采集模塊，將采集到的電流、電壓、溫度等信號傳輸到集成式電量計量模塊中進行處理，獲得電量、功率等相關參數。單片機接收集成式電量計量模塊傳輸出的參數并與設定參數范圍進行比較，若某一參數超出設定范圍，將實現警告操作，并通過與接口電路相連控制繼電器，進而改變用電器工作狀態;單片機通過LCD顯示屏將各項參數顯示;單片機通過串口將各項數據發送給ESP8266無線通信模塊，由ESP8266發送給OneNet云平臺，再由云平臺轉發給PDA最終端，此時用戶便可實時查看用電器用電情況，用戶若想要改變用電器工作狀態，則用PDA最終端發出控制指令，通過OneNet云平臺按照原路返回傳輸命令完成各項操作。系統結構圖如圖1所示。

3.1 硬件設計

（1）采樣電路。采樣電路分為兩部分，一部分實現對電壓的采樣，另一部分實現對電流的采樣。

利用電阻分壓電路對電壓進行采樣，圖2中R8～R11為分壓電阻，通過分壓電路將220 V電壓變換為芯片可處理的低電壓。

由于溫度對錳銅的阻值影響很小，因此選用錳銅采樣電阻進行電流采樣。采用完全差分輸入方式，錳銅電阻兩端通過R3、R5連接到芯片。圖3中R3、R4和電容C2、C3構成阻容濾波電路，濾除高頻成分。

（2）集成式電量計量模塊。集成式電量計量模塊中選用CSE7766集成式電能計量芯片，CSE7766是一款免校準的電能計量芯片，它具有極高的精度且在出場時就已經完成校準，無需任何設置便可直接讀取電量相關參數。本設計中電流信號通過錳銅電阻采樣后接入CSE7766，電壓信號則通過分壓電路后輸入到CSE7766。CSE7766同時接收電壓電流信號進行處理并傳輸給單片機。原理圖如圖4所示。

（3）溫度檢測單元。溫度檢測單元中采用DS18B20數字溫度傳感器檢測用電器的實時溫度，該傳感器溫度檢測范圍為-55～+125 ℃，在溫度范圍超過-10～+85 ℃之外時還具有±0.5 ℃的精度。DS18B20數字溫度傳感器轉化時間短，可達750 ms。該單元還設有過溫和低溫觸發報警的功能。原理圖如圖5所示。

PNP三極管集電極接地，發射極接入+5 V電壓源，基極通過電阻接入單片機P1.3端口和P1.4端口。當DS18B20數字溫度傳感器檢測到的溫度在設定范圍內，單片機P1.3、P1.4端口為高電平，電路不導通，則指示燈不亮。若檢測到溫度超出設定范圍，高溫指示燈點亮;若檢測到的溫度低于設定范圍，低溫指示燈點亮。

（4）實時時鐘。實時時鐘采用DS3232M來實現對用電器工通電計時功能，DS3232M是低成本、超高精度實時時鐘，帶有236字節電池備份SRAM。該器件集成了一個電池輸入，當設備的主電源中斷時可以保持精確的計時且能夠檢測電源故障，提出復位輸出，并在必要時自動切換到備用電源。

（5）主控（單片機）模塊。主控模塊選用了AT89C51單片機作為整個系統的核心，實現對各個模塊的控制。它是一款高性能CMOS型8位微控制器，具有高效、低功率和使用壽命長等特點。

（6）顯示模塊。顯示模塊采用LCD1602液晶顯示屏，完成對溫度、電量、功率等信息的顯示。該顯示屏具有顯示質量高、體積小、重量輕、功耗低的優點，并且具有數字式接口，與單片機系統接口更加簡單可靠，操作更加方便。

（7）無線通信模塊。無線通信模塊采用ALIENTEK推出的高性能URAT—WiFi（串口—無線）模塊ESP8266來連接單片機與PDA最終端，保證用戶與用電器之間信息互換的順利進行。ESP8266使用了3.3 V的直流電源，具有體積小、功耗低、支持透明傳輸、丟包現象不嚴重、價格較低等優點。內置TCP/IP協議棧，通過串口與單片機進行通信，便能夠實現串口與WiFi之間的轉換。ESP8266對單片機的要求較低，只需進行簡單的串口配置就能夠通過WiFi完成數據傳輸。

3.2 OneNet 云平臺

OneNet云平臺是中移物聯網有限公司基于物聯網技術和產業特點打造的開放平臺和生態環境，適配各種網絡環境和協議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數據服務，提供豐富的API和應用模板以支持各類行業應用和智能硬件的開發，能夠有效降低物聯網應用開發和部署成本，滿足物聯網領域設備連接、協議適配、數據存儲、數據安全、大數據分析等平臺級服務需求。

本設計采用EDP協議接入，通過OneNet云平臺來實現手機與用電器點對點通信，完成用戶與用電器之間信息交互功能。

4 軟件設計

系統以AT89C51單片機控制器為核心，初始化之后除了要將各模塊采集的信息進行儲存、顯示、分析控制以外，還要通過ESP8266無線網絡系統和OneNet云平臺實現信息交互功能，完成各項指令以滿足用戶需求。

5 測驗

在實驗室條件下，令一用電器連續工作12 h，下表中每間隔1 h記錄一次電壓、電流、用電量、溫度的數值。

從圖7中可以看出，用電量與時間之間呈線性關系，說明系統可以長時間穩定運行。

通過觀察可以發現表中電壓測量值始終存在波動，但是實際電壓值應為220 V，通過分析，主要有兩個因素可能會對實驗結果產生干擾：

（1）大功率負載本身具有不穩定性，在一定范圍內波動，造成的測量誤差。

（2）溫度變化導致電路中的阻值變化，從而影響測量結果。

6 總結

本設計從安全用電以及節約能源的角度出發，以為人們在便捷生活基礎上提供安全保障和能源節約保障為目的，設計出一種安全便捷的智能電能監測與安全控制裝置。該裝置不僅使用方便、操作簡單、智能、可靠性高，而且各個模塊之間易于組合實現，能夠增強整體系統上的安全性和穩定性，但是仍然存在一些不足，需要通過應用于不同的實際環境來進一步完善和設計細節，這將是下一步的重點。

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