基于物聯網的智能三相電表設計

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

隨著我國工業技術的現代化，越來越多的工業設備開始與物聯網技術結合并迸發出巨大的市場和潛力。工業中大部分的交流用電設備（例如：發電機、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，經過數十年的發展，三相電表從原來的機械式發展成了目前最廣泛使用的數字式。但隨著工業技術的發展，傳統的數字電表已經無法滿足企業對二次設備高效、快捷、無人值守的需求，因此，我們結合物聯網據技術，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、功率因數角等40多項參數，也可以將檢測到的參數繪制成圖表，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。除此之外，該設備還能通過網絡，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，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為物聯網的智能三相電表的系統框圖，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)相的相關參數并保存在芯片寄存器中。用戶通過觸摸屏向主控芯片STM32F103RBT6發送不同的控制指令，STM32F103RBT6主控芯片讀取ATT7022E三相電計量芯片寄存器中的相應數據后顯示在LCD顯示屏上，并通過網絡發送到服務器中以便用戶在移動設備上操作智能電表。該系統包括三相電讀取模塊、核心控制模塊、觸摸顯示屏模塊、物聯網模塊及其外圍網絡設施。三相電讀取模塊負責將高壓三相電模擬信號（Anolog-signal）轉換為低壓數字信號（Digital-signal），核心控制模塊負責多任務處理，將相應的數據轉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，物聯網模塊及其外圍網絡設施負責實現物聯網功能，通過打包為json消息，利用MQTT協議與公網服務器連接，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 行數據通信，通過串聯一個小電阻在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），可以增加數字輸入端的內部電容。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據。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據[6]。

圖7 STM32F103RBT6控制器

圖8 AT24C02儲存器

2.3 物聯網模塊及外圍網絡設施

對于物聯網部分，我們選用了當今最為流行的ESP8266物聯網模塊，ESP8266是一種專用于嵌入式系統的無限高保真網絡模塊，通過串口與STM32F103RBT6主控芯片連接，內置TCP/IP協議，可以與Wi-Fi網絡連接，實現聯網的功能。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物聯網開放平臺。通過平臺將測量設備接入云端，通過開發部署，能在線查重設備數據于在線狀態和異常狀況[7]。

3 軟件系統設計

主控系統的軟件流程部分如圖9所示，程序在Keil5下開發，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，將程序中經常用到的一些功能編寫成通用函數，做到隨調隨用。極大的縮短了開發周期。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，它不僅提供創建嵌入式GUI所需的一切功能，還可以實現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勢。而當今的企業不只局限于此，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的需求，確實能夠實現智能化、簡單化、低能耗，從而實現低消費。由智能電表所能夠激發的產業鏈更是數不勝數，如三相電參數測量表。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。圖10為產品運行圖。

圖10 產品運行圖