虛擬家用電器電流參數監測系統的設計

張安莉，謝檬，曾澤輝

（西安交通大學城市學院，陜西西安 710018）

人們在享受智能生活的同時，更趨向追求智能用電、節能用電和安全用電的生活方式[1-3]。但目前所擁有電能計量的智能監控設備并不健全，非專業人員無法僅僅通過電器耗電量得知家電是否正常工作，智能電器工作狀態監測系統的實現可以讓用戶實時掌控家中電器設備的工作狀態，便于用戶及時發現問題，確保電器使用安全的同時，為用戶了解家電的具體耗電細節提供準確的判斷依據和數據支持。規范自身用電行為，調整用電習慣，對保證家電的健康使用和整體節能均具有重要意義。

家用電器的故障檢測與管理的觀點是美國在1988 年提出的新思路，作用是協助檢修工人確認故障發生的時間段，幫助人們熟知正常工作的家電時間[4-7]。通過數據采集的方法獲取家用電器運行狀態的PHM 技術用于監測家電故障和可能出現的意外情況[8-11]。家用電器在日常使用中處于負載狀態，不僅會耗費額外的電資源，而且存在嚴重的安全隱患[12-14]。家用電器電流參數監測系統可以實時監測家用電器的工作狀態，以確保家用電器使用的安全性[15-16]。文中所設計的虛擬家用電器電流參數監測系統，選用STM32 單片機作為主控制器完成數據采集的功能。上位機采用LabVIEW 搭建監測平臺，可獨立監測小功率電器、普通電器和大功率電器的電流參數，完成實時顯示、學習和存儲故障信息的功能。

1 總體方案設計

家用電器電流參數監測系統結構如圖1 所示，主要分為系統配置模塊、遠程斷電控制模塊、用電信息顯示模塊、超限報警模塊和歷史數據查看模塊。

圖1 監測系統結構框圖

1）系統配置模塊

系統配置模塊主要完成超限報警和串行通信設置功能。

2）遠程斷電控制模塊

遠程斷電控制模塊主要包括上位機控制和紅外模式控制功能。上位機控制就是在虛擬平臺上直接點擊運行/停止按鈕來控制監測系統的啟停；紅外模式控制通過紅外接收探頭讀取控制內容開啟上電/斷電命令。

3）用電信息顯示模塊

用電信息顯示模塊主要用來顯示監測的各項電器及其參數。

4）超限報警模塊

超限報警模塊通過檢測家用電器電流參數來判斷是否超限，若出現異常情況，則啟動報警電路。

5）歷史數據查看模塊

點擊查看歷史數據按鈕，可以查看家用電器的ID、日期時間、操作內容以及是否正常工作等主要信息。

2 硬件電路設計

電流監測控制系統主要模塊為STM32 最小系統控制模塊和藍牙數據通信模塊。

2.1 STM32最小系統控制模塊

STM32 最小系統控制模塊電路圖如圖2 所示，包括STM32 主控芯片、電源電路、復位電路、時鐘電路和調試接口電路。電源轉換模塊為系統硬件電路正常工作提供保障，將家用220 V 電壓轉換為各個模塊所需要的直流電壓。

圖2 STM32最小系統控制模塊電路圖

2.2 藍牙數據通信模塊

藍牙數據通信模塊電路如圖3 所示，包括BC417143芯片、IM1117 電平轉換芯片、單片機接收數據電路和單片機發送數據電路。藍牙芯片的工作電壓是3.3 V，而主控芯片的輸出電壓是5 V，故需要電平轉換芯片來保證藍牙芯片的正常工作。

圖3 藍牙數據通信模塊電路

3 軟件主程序設計

圖4 所示為監測系統的主程序流程，打開程序后，會進入系統的顯示界面。首先，進行系統初始配置，設置額定電流參數的范圍。開始采集家用電器的實時電流參數，判斷實時電流是否在額定電流的范圍內。如果超出額定電流的范圍，則超限報警模塊工作，啟動報警電路，記錄異常值，然后進入顯示模塊。如果實時電流在正常范圍內，則直接顯示實時電流。

圖4 監測系統主程序流程

4 監測系統前面板設計

電流參數監測系統的前面板如圖5 所示，主要包括查看與控制模塊、時間讀取模塊、報警模塊、狀態指示模塊和電流顯示模塊。查看與控制模塊包括串口號的選擇，COM的串口選擇要按照實際連接的串口進行選擇。

圖5 監測系統前面板

4.1 查看與控制模塊

查看與控制模塊在監測系統前面板的正上方，包括運行按鍵、停止按鍵、通信串口選擇、電器連接個數和數據保存路徑。當點擊運行按鈕時，監測系統開始正常工作。連接方式主要為藍牙串口連接，可以解決同時檢測多臺設備的問題；電器連接個數為1～6 個；數據保存路徑為C:UsersdellDesktop。當點擊停止按鈕時，監測系統停止工作，恢復初始界面。

4.2 時間讀取模塊

時間讀取模塊在監測系統前面板的右下方，包括時間字符串和日期字符串。時間字符串1 和日期字符串1 是系統實時采集電流參數的日期和時間數據。時間字符串2 和日期字符串2 是系統自動識別硬件系統的時間并實時顯示到前面板。監測系統的日期數據顯示格式為年/月/日；時間數據顯示格式為時/分/秒。

4.3 報警模塊

報警模塊在監測系統前面板的左下方，以狀態指示燈的形式來顯示。超限報警燈1～6 對應電器1～6，一對一報警。當家用電器的工作電流在正常范圍內時，指示燈處于熄滅狀態；超出額定電流時，指示燈會被自動點亮，系統將會發出警報。同時，超流時的數據和時間日期將存儲到數據庫中。

4.4 電流顯示模塊

電流顯示模塊在監測系統前面板的正中間，包括電器開關按鍵、電器種類、工作狀態和電流顯示表。電器開關按鍵分別控制6 種不同家用電器的運行狀態。電器種類分為小功率電器、普通電器和大功率電器。電器的工作狀態分為運行和待機狀態。電流顯示表的單位為A，電流表的量程范圍為0～10 A。當監測系統處于正常運行狀態時，電器1監測小功率電器運行的電流值；電器2 和電器3 監測普通電器運行的電流值；電器4、電器5 和電器6 監測大功率電器運行的電流值。

5 監測系統的測試

5.1 小功率電器的測試

小功率電器的電流值范圍為0～1 A。單獨測量小功率電器的電流監測界面如圖6 所示。

圖6 小功率電器的電流監測界面

當電器1的開關按鍵打開，其余電器的開關按鍵處于關閉狀態時，系統運行的電器種類為小功率電器，藍牙通信串口為COM12，此時前面板顯示電器的連接個數為一個，這時數據的保存路徑和地址為C:UsersdellDesktop，此時除小功率電器的工作狀態顯示正常運行外其他的5 種電器均處于待機狀態，狀態指示燈處于單次運行狀態，日期字符串1、2與時間字符串1、2 顯示分別為2019/05/4、2019/05/4，08:56:16.000、08:59:05.037，超限報警指示燈處于熄滅狀態。從電流表1 讀數得知此時小功率電器的工作電流為1.0 A，其余5種電器的電流表讀數均為0 A。

5.2 普通電器的測試

普通電器的電流值范圍為1～3 A。單獨測量普通電器的電流監測界面如圖7 所示。

圖7 普通電器的電流監測界面

當電器2、3的開關按鍵打開，其余電器的開關按鍵處于關閉狀態時，系統運行的電器種類為普通電器，藍牙通信串口為COM12，此時前面板顯示電器的連接個數為2 個，這時數據的保存路徑和地址為C:UsersdellDesktop，此時，除普通電器的工作狀態顯示正常運行外，其他4 種電器均處于待機狀態。狀態指示燈處于單次運行狀態，日期字符串1、2與時間字符串1、2 顯示分別為2019/05/4、2019/05/4，09:07:24.020、09:10:08.046，超限報警指示燈處于熄滅狀態。從電流表2 和3 讀數得知此時兩種普通電器的工作電流分別為2.0 A 和2.6 A，其余4 種電器的電流表讀數均為0 A。

5.3 大功率電器的測試

大功率電器的電流值范圍為3～10 A。單獨測量大功率電器的電流監測界面如圖8 所示。

圖8 大功率電器的電流監測界面

當電器4、5、6的開關按鍵打開，其余電器的開關按鍵處于關閉狀態時，系統運行的電器種類為大功率電器，藍牙通信串口為COM12，此時前面板顯示電器的連接個數為3 個，這時數據的保存路徑和地址為C:UsersdellDesktop，此時除大功率電器的工作狀態顯示正常運行外，其他的3 種電器均處于待機狀態。指示燈處于單次運行狀態，日期字符串1、2 與時間字符串1、2 顯示分別為2019/05/4、2019/05/4，09:11:27.031、09:15:14.024，超限報警指示燈處于熄滅狀態。從電流表4、5 和6 讀數得知此時3 種大功率電器的工作電流分別為3.4 A、5.0 A 和5.2 A，其余3 種電器的電流表讀數均為0 A。

5.4 全部電器的測試

測量全部電器的電流監測界面如圖9 所示。

圖9 全部電器的電流監測界面

當6 個電器的開關按鍵全部打開時，系統運行的電器種類為小功率電器、普通電器和大功率電器3 種類型，此時藍牙通信串口為COM12，此時前面板顯示電器的連接個數為6 個，這時數據的保存路徑和地址為C:UsersdellDesktop，此時全部電器的工作狀態顯示正常運行。狀態指示燈處于連續運行狀態，日期字符串1、2 與時間字符串1、2 顯示分別為2019/05/4、2019/05/4，09:30:42.057、09:32:96.052，超限報警指示燈1、2、4～6 處于熄滅狀態，3 處于報警狀態。從電流表1～6 讀數得知此時電器1～2、4～6的正常工作電流分別為1.0 A、2.0 A和3.4 A、5.0 A和5.2 A，而電器3超出正常工作電流（即3.0 A），讀數為3.5 A。

5.5 系統的誤差分析

監測系統的誤差分析見表1，可以看出，系統監測的電流參數的測量值和標準值。誤差分析的計算公式為：誤差=測量值-標準值|/標準值×100%，誤差范圍為0.00%～0.2%。

表1 系統誤差分析表

6 結束語

LabVIEW 為現代化儀器儀表提供了良好的開發環境，利用虛擬儀器開發家用電器具有程序設計簡單、開發周期短與結果顯示直觀等特點。本系統利用LabVIEW 開發的虛擬家用電器電流參數監測系統初步完成了基本的功能，進一步的研究需要在時間常數的選擇、PGA 程序控制、濾波器選擇與信號處理程序等方面加以完善，系統經過測試，可以實現家用電器的電流參數監測，其性能完善、功能健全，滿足了現階段工程設計和開發的需要。