STM32+MQTT能源管理系統(tǒng)的設計及應用

摘要：目前，在我國的能源消耗中，工業(yè)企業(yè)是主要群體，其能源消耗量約占國內能源消耗總量的70%[1]左右。因此，在企業(yè)管理的過程中，進行有效的能源管控，可以幫助企業(yè)降低生產成本，提高企業(yè)能源管理水平。基于STM32+MQTT的能源管理系統(tǒng)可有效幫助企業(yè)進行能源能耗實時監(jiān)控、能耗大數(shù)據(jù)分析、單位能耗優(yōu)化等，為企業(yè)經(jīng)濟用能、合理用能提供科學的策略，從而達到科學合理進行能源規(guī)劃和利用，降低生產過程中每個單位產能的消耗，提高經(jīng)濟效益，有效減少排放量等目的。

關鍵詞：Modbus；MQTT；無線通信；星型網(wǎng)絡；智能管理器；智能表計；能耗優(yōu)化

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.04.046

中圖分類號：TN 929.5，TP 368.1，TP391.44" " " " 文獻標示碼：A" " " " 文章編碼：1672-7274（2023）04-0-03

Design and Application of STM32+MQTT Energy Management System

ZHOU Ji， CAI Yongxiang，" HUANG Heng

（Guangdong Changying Technology Co.， Ltd.， Maoming 525000， China）

Abstract： At present， among the energy consumption in China， industrial enterprises are the main group of energy consumption， accounting for about 70% of the total domestic energy consumption[1]. The energy management system based on STM32+MQTT can effectively help enterprises to conduct real-time monitoring of energy consumption， energy consumption big data analysis， unit energy consumption optimization， etc.， and provide scientific strategies for enterprises to use energy economically and rationally， so as to achieve scientific and reasonable energy planning and utilization， reduce the consumption of each unit of production capacity in the production process， improve economic efficiency， and effectively reduce CO2 emissions.

Key words： Modbus; MQTT; wireless communication; star network; intelligent manager; intelligent meter; energy consumption optimization

目前，在我國的能源消耗中，工業(yè)企業(yè)是主要群體，其能源消耗量約占國內能源消耗總量的70%[1]左右。2021年，我國能源消費較快增長，全年能源消費52.4億噸標準煤，同比增長5.2%，增速比2020年提升3.0個百分點，非化石能源消費比重比2020年提高0.7個百分點。

在能源消耗增長的同時，價格也在增長。以2022年9月上半月為例，澳大利亞紐卡斯爾港煤炭期貨平均價格為438美元/噸（折合人民幣超過3 000元/噸），同比上漲158%。英國、法國、德國市場交易電價漲至2021年同期的4～10倍。我國也受到同樣大的影響，2022年內油價上漲8次，電力價格也出現(xiàn)大幅度的波動。

在能源成本上漲的情況下，工業(yè)企業(yè)能源使用需要精打細算。而企業(yè)能源信息缺失，計量檢測點配備不足、計量設備精準度不高、計量數(shù)據(jù)失真、人工抄表可靠性低等原因都會導致能源的浪費。

1" 應用技術介紹

1.1 MQTT協(xié)議

MQTT全稱為Message Queuing Telemetry Transport（消息隊列遙測傳輸），是一種基于發(fā)布/訂閱范式的二進制“輕量級”消息協(xié)議，由IBM公司發(fā)布，是針對網(wǎng)絡受限和嵌入式設備而設計的一種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議[2]。MQTT的最大優(yōu)點在于，能夠以極少的代碼和有限的帶寬為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通信協(xié)議，其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用[3]。

1.2 Modbus協(xié)議

Modbus是一種開放協(xié)議，已成為工業(yè)中的標準通信協(xié)議。它是連接工業(yè)電子設備的最常用方法，被許多行業(yè)的制造商廣泛使用[4]。其主要用于將來自儀表和控制設備的信號傳輸回主控制器或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.3 智能管理器

智能管理器是一個Modbus主機，具有本地計算、存儲、處理等功能。其在本地采集Modbus設備數(shù)據(jù)，然后通過本地計算、存儲，最后通過協(xié)議轉換，通過MQTT協(xié)議主動將數(shù)據(jù)傳送到能源管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)秒級上報。

2" 能源管理系統(tǒng)的設計

2.1 能源管理系統(tǒng)建設目標

通過對能源使用進行規(guī)劃、監(jiān)控、統(tǒng)計和分析，對重點能耗設備和能源計量設備管理等方法，讓企業(yè)管理者對企業(yè)的能源消耗成本占比、能源消耗趨勢有比較準確的掌控，然后根據(jù)所撐控的情況將能源使用計劃分配到各個能耗車間，讓每個用能部門明確工作責任，促進企業(yè)健康穩(wěn)定地發(fā)展。實現(xiàn)的目標包括：電能和燃氣能的各項能耗數(shù)據(jù)清晰化和透明化；為企業(yè)的生產設施能源系統(tǒng)進行精細設計和降耗改造提供依據(jù)；分析能耗總量統(tǒng)計和趨勢；優(yōu)化能耗成本結構；通過趨勢記錄助力優(yōu)化資源和業(yè)務模式規(guī)劃升級。

2.2 數(shù)據(jù)采集整體拓撲

STM32+MQTT能源管理系統(tǒng)通過單片機采用的Modbus協(xié)議和消息傳輸MQTT協(xié)議實現(xiàn)能源實時數(shù)據(jù)采集。網(wǎng)絡中各采集點通過智能采集器直連表計的RS485接口進行數(shù)據(jù)采集，然后通過窄帶無線通信技術組網(wǎng)把數(shù)據(jù)上報到對應的智能管理器，再經(jīng)由內部網(wǎng)絡匯總到廠區(qū)內部平臺的服務器，進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)展示。整體網(wǎng)絡拓撲圖1所示。

2.3 無線網(wǎng)絡組建

在生產區(qū)的機房安裝中心收發(fā)智能管理器，接收全生產區(qū)分散在各處的表計上報數(shù)據(jù)，中心收發(fā)器直接連接到生產區(qū)的服務器，完成整個監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)收集、整理、分析、展示工作。

生產區(qū)服務器通過光纖連接到辦公區(qū)的機房，使得辦公區(qū)也能實現(xiàn)直接訪問監(jiān)測平臺獲取所需數(shù)據(jù)。其方便了電解數(shù)據(jù)采集大平臺與本系統(tǒng)進行接口對接，獲取所需數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析。

以其中兩套組網(wǎng)為例。1#中心收發(fā)器與多個1#節(jié)點收發(fā)器的設備相互認證組成第一個星形網(wǎng)絡，2#中心收發(fā)器與多個2#節(jié)點收發(fā)器的設備相互認證組成第二個星形網(wǎng)絡。組建網(wǎng)絡的方式如圖2所示。

2.4 電量數(shù)據(jù)采集

在每個配電房安裝小電箱，220 V電源接入到配電箱中，配電箱中以導軌方式安裝智能采集器、導軌式開關電源、空氣開關，智能采集器連接配電房中所需采集表計的RS-485接口。智能采集器通過LORA網(wǎng)絡直接把數(shù)據(jù)推送到生產機房的中心收發(fā)智能管理器，完成數(shù)據(jù)的采集上報過程。

2.5 天然氣數(shù)據(jù)采集

在防爆電箱內以導軌方式安裝智能采集器、導軌式開關電源、空氣開關，智能采集器連接調壓站中所需采集的天然氣表的RS-485接口。智能采集器通過LORA網(wǎng)絡直接把數(shù)據(jù)推送到生產機房的中心收發(fā)智能管理器，完成數(shù)據(jù)的采集上報過程。

3" 系統(tǒng)功能

3.1 監(jiān)控儀表臺

展示能源體系中智能電表、燃氣表的整體耗能情況，如電流、電壓、電量、功率因子、燃氣流量等信息，可以查看智能電表、燃氣表每個分區(qū)的實時數(shù)據(jù)。

3.2 智能電表監(jiān)控

系統(tǒng)顯示一級配電所中的智能電表的實時電流、電壓、電量、功率因子等信息。若數(shù)值超過預設閾值，則在頂部優(yōu)先顯示，并對超標值標紅顯示，可通過名稱搜索指定監(jiān)控點的數(shù)據(jù)。

3.3 智能電表閾值設置

展示電表監(jiān)測點的名稱、當前電流、電壓等信息的上限、下限及超限時長的閾值，管理員可針對其中單個或批量選擇的監(jiān)測點設定壓力報警的上下限及超限多長時間后報警。

3.4 網(wǎng)關管理

通過網(wǎng)關對分散在各處的智能采集器進行統(tǒng)一集中管理，協(xié)助用戶在海量終端設備中快速檢索到指定設備，進行狀態(tài)監(jiān)控、調試、維護。

3.5 設備臺賬管理

查詢顯示各采集器及其下級的傳感器設備的名稱、編號、計量類型、運行狀態(tài)信息、所屬分類、位置信息等，可整體了解所有的設備清單及從屬關系信息。

3.6 智能表參數(shù)統(tǒng)計

通過選擇所需統(tǒng)計的電表、統(tǒng)計時間、統(tǒng)計方式（按時、日、月、年）等，以表格或線性圖的方式顯示各智能電表監(jiān)測點的平均電壓、電流、電量、功率因子等信息統(tǒng)計結果，用戶也可對查詢結果導出或打印。

3.7 自動報警

當系統(tǒng)識別到智能電表或燃氣表采集的數(shù)據(jù)超過預設閾值指定時長、或硬件設備出現(xiàn)故障時，會在右下角自動彈窗提示報警信息，并發(fā)出報警音提示監(jiān)控人員及時查看。

4" 能源管理系統(tǒng)效益

4.1 對能耗設備的能效進行持續(xù)改善

監(jiān)測企業(yè)所有能耗設備的實時情況，對能效參數(shù)進行實時監(jiān)測并及時發(fā)現(xiàn)無效用能的環(huán)節(jié)，通過持續(xù)的監(jiān)測不斷進行改善。

4.2 讓設備的效益得到充分的發(fā)揮

為企業(yè)的能耗管理提供全面、全過程的實時監(jiān)測，提供具有實時性的能耗和能效分析工具，建立所有節(jié)能設備應用前后的能耗數(shù)據(jù)比對分析和能耗管理檔案。

4.3 為節(jié)能設備的持續(xù)有效果運行提供保障

實時監(jiān)測能耗設備的運行情況，當設備的運行環(huán)境發(fā)生變化時以最優(yōu)的方式調整運行參數(shù)；對設備建立檔案，方便設備的維修和維護；通過對設備能耗數(shù)據(jù)的收集和分析，對設備的能耗情況和節(jié)能的有效性給出科學和合理的評價結論，并針對實際的情況給出改善建議[5]。

5" 結束語

綜上所述，通過能源管理系統(tǒng)的應用，可以有效幫助企業(yè)進行能源能耗實時監(jiān)控、能耗大數(shù)據(jù)分析、單位能耗優(yōu)化等，為企業(yè)經(jīng)濟用能、合理用能提供科學的策略，從而達到科學合理進行能源規(guī)劃和利用，降低生產可程中每個單位產能的消耗，提高經(jīng)濟效益，有效減少排放量等目的。■

參考文獻

[1] ECM工業(yè)能耗管理云平臺應用案例[DB/OL].https：//www.sohu.com/a/421448422_120619718.

[2] 淺談MQTT協(xié)議[DB/OL].https：//juejin.cn/post/7139180637176463368.

[3] MQTT協(xié)議[DB/OL].https：//blog.csdn.net/weixin_45590051/article/details/118979197.

[4] Modbus通訊協(xié)議詳解（Modbus用途及工作原理）[DB/OL].https：//www.key-iot.com/hyzs/678.html.

[5] 大型化工企業(yè)能源管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[DB/OL].https：//www.docin.com/p-1318199290.html.