淺談宿舍用電監控系統設計與解決方案

李明君

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：很多高校宿舍的用電功率存在限制,為此設計了宿舍用電智能監控系統。系統由主控制器、采集部分、通信部分組成。利用STM32作為主控芯片,采集部分采用BL0937芯片采集電壓和電流,采集多條線路用電數據,各路數據采集通道均采用隔離保護,通信部采用4G、LoRa無線通信模塊和串口。主控制器經4G模塊將數據傳輸到網絡云端實時監控,宿舍的用電功率超過設定的功率時,系統會發送消息給該宿舍的宿舍長,警告宿舍及時管理用電器,否則就會對該宿舍斷電，防止事故的發生,也能更方便地控制宿舍用電情況。經實際測試應用,該監控系統數據處理及時、運行穩定,滿足系統應用需要。

關鍵詞：BL0937；LoRa無線模塊；STM32；4G通信

0引言

如今電器種類龐雜,方便了我們的生活,但用電事故也在不斷發生。電器的功率參數參差不齊，使用時線路負荷過大會造成電氣火災、觸電等事故。學校里用電事故主要是由于使用大功率電器造成的。許多高校宿舍建立時間較長,線路出現老化,在使用大功率電器時產生熱量較多，到一定程度就會發生火災。學生用電時不按照用電安全規定和管理要求,拖接各類違規電器設備，隨意拉線、接線,易發生觸電、火災等安全事故。宿舍用電智能監控系統可以有效減少宿舍用電事故的發生。設計由STM32芯片作為主控電路,從機采集電壓、電流多路數據量，再經過計算得出每個宿舍的用電功率,并且每條線路均采用信號隔離技術使其獨立工作,得到的數據由LoRa無線模塊傳輸到主機，再利用4G通信將數據上傳至網絡云端，實現用電功率的遠程監控，同時數據反饋給主機，主機檢測是否超過管理者設定的功率,若超過發送消息到宿舍長警告該宿舍,不進行處理將會對該宿舍斷電，避免了危險事故的發生。

1 系統整體設計

宿舍用電智能監控系統總體框圖。

系統整體設計分為主機和從機兩部分,主要由數據采集電路、處理電路、傳輸電路組成.數據采集電路基于BL0937設計,BL0937的VP引腳接入線路中采集電壓信號,BL0937的IP和IN引腳則采集電流信號,由耦合隔離電路傳入從機的脈沖信號捕獲通道,捕獲到的脈沖信號的頻率經過公式計算出功率，再經LoRa無線通信模塊使數據傳輸到主機,主機根據計算出的功率，發出相應的控制命令,管理宿舍用電，并將數據封裝處理后由4G無線通信模塊上傳到網絡云端。

2 系統硬件設計

宿舍用電智能監控系統硬件電路結構主要包括電源轉換電路、STM32主控制器、BL0937 采集電路和LoRa無線通信電路、4G無線通信電路。

2.1 電源轉換電路

為得到12V的直流電源為系統供電,采用AC-DC的降壓模塊對220V的交流電源進行轉換。隨后使用B1205-2W的隔離型電源器件,將12V的直流電源進一步轉換為所需要使用5V的直流電，使用隔離型電源器件B1205-2W的好處在于保護STM32主控芯片,以及一些其他的外部電路,確保使用的安全性以及設計的可行性。*后使用低壓線性穩壓芯片AMS1117-3.3，AMS1117輸入電壓*高可達12V,輸出電壓可以為1.8、1.9、2.5、3.3和5V,輸出電流*高可達1A，且片內集成過熱保護和過流保護模塊，保證芯片和系統的安全，5 V的直流電源轉化成可以為STM32主控芯片直接供電的3.3V電源。電源轉換電路圖見圖2。

2.2 STM32主控制器

采集電路采用的是一款電能計量芯片BL0937,集成了參考電壓模塊、電源管理模塊和計算功率、電流、電壓的有效值等數字電路,可以輸出電流和電壓有效值脈沖信號。BL0937有兩種輸出模式,一種是輸出電流、電壓的脈沖信號,另一種是輸出電能計量的脈沖號。BL0937 芯片的體積很小,內置了晶振、參考電源和兩路ADC。通過精簡的數字算法和高效的硬件結構,在滿足所要求的功能和性能前提下,硬件消耗和功耗都非常低，外圍結構簡單、成本低,非常適合插座表等智能產品中的簡單電能計量,具有較高的性價比。

理想的p（t）只包括兩部分：直流部分和頻率為2ω的交流部分.前者又稱為瞬時實功率信號,瞬時實功率是電能表測量的首要對象。BL0937的VP引腳輸入電壓,IN和IP引腳輸入電流,通過信號處理求出兩個通道中采集數據的乘積,得到有功功率并以脈沖信號的形式從CF輸出,對采集的輸入電壓和輸入電流有效值,也以脈沖信號的形式從CF1輸出,通過計算他們的頻率就能算出有效值。

采集電路見圖3。采集對象是市電電壓,芯片正常工作采集的電壓信號應通過分壓電路調整到200mV以內，電路使用了6個330kΩ電阻串聯的分壓方法,分壓后1kΩ電阻上有大約110mV的電壓信號,市電在176~264V浮動時,此信號會在88~132mV之間,符合芯片要求。電流采樣電路電阻可以采用康銅電阻或者合金電阻,電阻值的選擇則需要根據采樣電流大小。芯片內部集成了兩路ADC,需要在采樣端增加RC濾波電路,達到濾除高頻干擾信號的效果。

2.3 LoRa無線通信電路

數據傳輸部分采用了基于SX1278的LoRa無線模塊,遠程調制解調增加了傳輸距離,功耗更低。調制技術,使傳輸距離變得更遠,傳輸時的靈敏度達到了-148dbm,功率輸出+18dBm,可靠性強,抗干擾能力強.對比傳統調制技術,抗阻塞得到了提高。LORA成功實現了低功耗和遠距離的統一,在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠,比傳統的無線射頻通信距離擴大3~5倍。以往設計中無法同時具備距離遠、抗干擾強和功耗低的難題也得以解決,該模塊以其低功耗、成本低和遠距離的優勢應用于各種物聯網項目中,實現可靠組網和無線通信,適用于遠程抄表、實時數據傳輸等,是物聯網產品的*佳選擇。

LoRa無線通信電路見圖4。該芯片的供電是將5V電壓經過AMS1117芯片降3.3V,LoRa模塊由SPI總線驅動,一共需要8個引腳,圖中P6的前兩個引腳分別接地和3.3V供電,3腳是SPI時鐘輸入引腳,4、5腳是數據的輸入輸出腳,分別接PA6和PA7,6腳是片選引腳,接PB7,在傳輸數據時拉低此引腳,傳輸完*后一個字節再拉高,7腳接主控制器的PA2,用于讀取中斷標志位,8腳接PA4,為復位引腳。

2.4 4G無線通信電路

Air720H是一款4G無線通信模塊,下行速率、上行速率分別可達150Mbps和50Mbps?？梢韵蛳录嫒軬SM或GPRS網絡,保證在沒3G、4G網絡的地區也能使用,有多種網絡協議,具備工業標準接口,兼容多種驅動和軟件應用,有UART接口,將它連接到MCU或PC設備上,可以實現供電、固件下載、AT指令等功能。

系統數據的上傳是通過4G無線通信模塊,基于HTTP通信協議將數據上傳到云端服務器遠程監控。該設計是經UART口發送AT指令控制4G模塊進行配置網絡、數據傳輸等功能,4G模塊有兩個UART口,UART1是AT調試串口,UART2是普通串口,將UART1的RXD、TXD分別連接到主控制器的串口引腳,PA2和PA3用來傳輸AT指令。

3 系統軟件設計

根據要求需要實現數據采集、數據傳輸、訪問云端這些功能,定時捕獲脈沖信號的頻率并轉換成功率,利用主控制器的串口外設控制無線模塊,將采集的功率傳輸到網絡云端,實現遠程監控的功能。

3.1 系統主程序設計

系統主程序設計流程如圖5所示.

程序中配置了SPI總線、串口、PWM捕獲通道這些外設,SPI總線驅動LoRa無線模塊,通過讀/寫寄存器的方式,控制LoRa模塊接收、發送PWM捕獲脈沖信號的數據,再由串口發送AT指令控制4G模塊上傳數據到網絡云端，主控制器根據數據判斷是否發出控制命令。PWM捕獲通道將脈沖信號的頻率計算出來,通過程序內編寫的公式把頻率轉換成功率。

式（1）中：FCF為捕獲脈沖信號的頻率,Vref為基準電壓1.28V,V（V）和V（I）分別是兩個電壓、電流采集管腳的電壓有效值,相乘得出功率。

3.2 LoRa無線通信程序設計

數據發送、接收流程如圖6所示。

該設計中,LoRa無線通信電路用與數據的傳輸并保證穩定和準確。主控制器上電后初始化設備,數據的發送是通過SPI總線將LoRa配置為發送模式,讀取中斷引腳為高電平時,在空閑狀態下寫入FIFO，數據填充完畢后進入到發送狀態。在LoRa配置為連續接收模式時,從機的接收端會一直掃描接收通道,判斷是否有數據,接收到有效數據包之后，需要掃描,然后接收數據并進行CRC檢驗。置FIFO地址指針指到接收的基地址上，若模塊收到前導碼時,先接收數據頭,再接收數據包，接收完后CRC校驗通過后讀取數據并保存。

4高校綜合能效解決方案

4.1校園電力監控與運維

集成設備所有數據，綜合分析、協同控制、優化運行，集中調控，集中監控，數字化巡檢，移動運維，班組重新優化整合，減少人力配置。

4.2后勤計費管理

采用網絡抄表付費管理技術，實現電、水、氣等能源綜合計費，實現遠程抄表、費率設置、賬單統計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設置補貼方案。通過能源付費管理方式，培養用能群體和部門的節能意識。

4.2.1宿舍用電管理

針對學生宿舍用電進行管理控制：可批量下發基礎用電額度和定時通斷功能；可進行惡性負載識別，檢測違規電氣，并可獲取違規用電跳閘記錄。

4.2.2商鋪水電收費

針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進行預付費管理。

4.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網、荷、儲、充”信息能源結構中是必*。充電樁應用管理同樣是校園生活服務中必*一部分。

4.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全局監測，提供對路燈靈活智能的管理，實現校園內任一線路，任一個路燈的定時開關、強制開關、亮度調節，以及定時控制方案靈活設置，確保路燈照明的智能控制和高效節能。

4.3能源管理系統

針對校園水、電、氣等各類接入能源進行統計分析，包含同比分析、環比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。

按校園建筑的分類進行采集和統計的各類建筑耗電數據。如辦公類建筑耗電、教學類建筑耗電、學生宿舍耗電等，對數據分門別類的分析，提供領導決策，提高管理效能。

構建符合校園節能監管內容及要求的數據庫，能自動完成能耗數據的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統性的能耗審計報告，能夠監測能耗設備的運行狀態，設置控制策略，達到節能目的。

4.4智慧消防系統

智慧消防云平臺基于物聯網、大數據、云計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，并對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統化”需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯動，在統一的系統大平臺內運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關人員。

5.平臺部署硬件選型

5.1電力監控與運維平臺

5.2后勤計費管理

5.2.1宿舍/商業預付費平臺

5.2.2充電樁管理平臺

5.2.3智能照明管理

5.3能源管理系統

5.4智慧消防系統

5.4.1電氣火災監控系統

5.4.2消防設備電源監控系統

5.4.3防火門監控系統

6結束語

本文監控系統設計以STM32主控芯片實現多路數據的采集,數據的傳輸方式是無線加有線,將數據上傳到云平臺實現實時遠程監控,主控制器對數據進行判斷，從而控制宿舍的用電。經過長時間測試，有較高的可靠性和穩定性,網絡云端顯示數據準確,能夠實現實時監控以及用電控制功能,有效避免了大功率用電器的長時間使用。該設計的人機交互方面還存在不足,下一步將著重于前端的完善。

【參考文獻】

【1】馬光偉，樊廣曉，王玉虎，卜翠翠，陳佳樂，付廣春.宿舍用電監控系統設計[J]河南科技學院.2020（48）：68-73.

【2】張西珠,劉廷廷,張一航.大學生宿舍的用電安全性分析及管理方案[J].科技經濟導刊,2020,28（23）：195-196.

【3】高校綜合能效解決方案2022.5版.

【4】企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

作者簡介

李明君，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍安全用電研究發展。