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(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信模塊和串口。主控制器經(jīng)4G模塊將數據傳輸到網(wǎng)絡(luò )云端實(shí)時(shí)監控,宿舍的用電功率超過(guò)設定的功率時(shí),系統會(huì )發(fā)送消息給該宿舍的宿舍長(cháng),警告宿舍及時(shí)管理用電器,否則就會(huì )對該宿舍斷電，防止事故的發(fā)生,也能更方便地控制宿舍用電情況。經(jīng)實(shí)際測試應用,該監控系統數據處理及時(shí)、運行穩定,滿(mǎn)足系統應用需要。

關(guān)鍵詞：BL0937；LoRa無(wú)線(xiàn)模塊；STM32；4G通信

0引言

如今電器種類(lèi)龐雜,方便了我們的生活,但用電事故也在不斷發(fā)生。電器的功率參數參差不齊，使用時(shí)線(xiàn)路負荷過(guò)大會(huì )造成電氣火災、觸電等事故。學(xué)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(shí)間較長(cháng),線(xiàn)路出現老化,在使用大功率電器時(shí)產(chǎn)生熱量較多，到一定程度就會(huì )發(fā)生火災。學(xué)生用電時(shí)不按照用電安全規定和管理要求,拖接各類(lèi)違規電器設備，隨意拉線(xiàn)、接線(xiàn),易發(fā)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(fā)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(jīng)過(guò)計算得出每個(gè)宿舍的用電功率,并且每條線(xiàn)路均采用信號隔離技術(shù)使其獨立工作,得到的數據由LoRa無(wú)線(xiàn)模塊傳輸到主機，再利用4G通信將數據上傳至網(wǎng)絡(luò )云端，實(shí)現用電功率的遠程監控，同時(shí)數據反饋給主機，主機檢測是否超過(guò)管理者設定的功率,若超過(guò)發(fā)送消息到宿舍長(cháng)警告該宿舍,不進(jìn)行處理將會(huì )對該宿舍斷電，避免了危險事故的發(fā)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(xiàn)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(jīng)過(guò)公式計算出功率，再經(jīng)LoRa無(wú)線(xiàn)通信模塊使數據傳輸到主機,主機根據計算出的功率，發(fā)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(wú)線(xiàn)通信模塊上傳到網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)通信電路、4G無(wú)線(xiàn)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(jìn)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(jìn)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(xiàn)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(guò)熱保護和過(guò)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(jiàn)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(guò)精簡(jiǎn)的數字算法和高效的硬件結構,在滿(mǎn)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(jiǎn)單、成本低,非常適合插座表等智能產(chǎn)品中的簡(jiǎn)單電能計量,具有較高的性?xún)r(jià)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(chēng)為瞬時(shí)實(shí)功率信號,瞬時(shí)實(shí)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(guò)信號處理求出兩個(gè)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(guò)計算他們的頻率就能算出有效值。

采集電路見(jiàn)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(guò)分壓電路調整到200mV以?xún)?，電路使用?個(gè)330kΩ電阻串聯(lián)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(dòng)時(shí),此信號會(huì )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(wú)線(xiàn)通信電路

數據傳輸部分采用了基于SX1278的LoRa無(wú)線(xiàn)模塊,遠程調制解調增加了傳輸距離,功耗更低。調制技術(shù),使傳輸距離變得更遠,傳輸時(shí)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(shù),抗阻塞得到了提高。LORA成功實(shí)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(wú)線(xiàn)方式傳播的距離更遠,比傳統的無(wú)線(xiàn)射頻通信距離擴大3~5倍。以往設計中無(wú)法同時(shí)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(yōu)勢應用于各種物聯(lián)網(wǎng)項目中,實(shí)現可靠組網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)通信,適用于遠程抄表、實(shí)時(shí)數據傳輸等,是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的*佳選擇。

LoRa無(wú)線(xiàn)通信電路見(jiàn)圖4。該芯片的供電是將5V電壓經(jīng)過(guò)AMS1117芯片降3.3V,LoRa模塊由SPI總線(xiàn)驅動(dòng),一共需要8個(gè)引腳,圖中P6的前兩個(gè)引腳分別接地和3.3V供電,3腳是SPI時(shí)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(shí)拉低此引腳,傳輸完*后一個(gè)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(wú)線(xiàn)通信電路

Air720H是一款4G無(wú)線(xiàn)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(wǎng)絡(luò ),保證在沒(méi)3G、4G網(wǎng)絡(luò )的地區也能使用,有多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議,具備工業(yè)標準接口,兼容多種驅動(dòng)和軟件應用,有UART接口,將它連接到MCU或PC設備上,可以實(shí)現供電、固件下載、AT指令等功能。

系統數據的上傳是通過(guò)4G無(wú)線(xiàn)通信模塊,基于HTTP通信協(xié)議將數據上傳到云端服務(wù)器遠程監控。該設計是經(jīng)UART口發(fā)送AT指令控制4G模塊進(jìn)行配置網(wǎng)絡(luò )、數據傳輸等功能,4G模塊有兩個(gè)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(lái)傳輸AT指令。

3 系統軟件設計

根據要求需要實(shí)現數據采集、數據傳輸、訪(fǎng)問(wèn)云端這些功能,定時(shí)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(wú)線(xiàn)模塊,將采集的功率傳輸到網(wǎng)絡(luò )云端,實(shí)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(xiàn)、串口、PWM捕獲通道這些外設,SPI總線(xiàn)驅動(dòng)LoRa無(wú)線(xiàn)模塊,通過(guò)讀/寫(xiě)寄存器的方式,控制LoRa模塊接收、發(fā)送PWM捕獲脈沖信號的數據,再由串口發(fā)送AT指令控制4G模塊上傳數據到網(wǎng)絡(luò )云端，主控制器根據數據判斷是否發(fā)出控制命令。PWM捕獲通道將脈沖信號的頻率計算出來(lái),通過(guò)程序內編寫(xiě)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(gè)電壓、電流采集管腳的電壓有效值,相乘得出功率。

3.2 LoRa無(wú)線(xiàn)通信程序設計

數據發(fā)送、接收流程如圖6所示。

該設計中,LoRa無(wú)線(xiàn)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(fā)送是通過(guò)SPI總線(xiàn)將LoRa配置為發(fā)送模式,讀取中斷引腳為高電平時(shí),在空閑狀態(tài)下寫(xiě)入FIFO，數據填充完畢后進(jìn)入到發(fā)送狀態(tài)。在LoRa配置為連續接收模式時(shí),從機的接收端會(huì )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(jìn)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(shí),先接收數據頭,再接收數據包，接收完后CRC校驗通過(guò)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(xié)同控制、優(yōu)化運行，集中調控，集中監控，數字化巡檢，移動(dòng)運維，班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。

4.2后勤計費管理

采用網(wǎng)絡(luò )抄表付費管理技術(shù)，實(shí)現電、水、氣等能源綜合計費，實(shí)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(guò)能源付費管理方式，培養用能群體和部門(mén)的節能意識。

4.2.1宿舍用電管理

針對學(xué)生宿舍用電進(jìn)行管理控制：可批量下發(fā)基礎用電額度和定時(shí)通斷功能；可進(jìn)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(gè)體的水電用能進(jìn)行預付費管理。

4.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲、充"信息能源結構中。充電樁應用管理同樣是校園生活服務(wù)中一部分。

4.2.4智能照明管理

通過(guò)對高校路燈的全局監測，提供對路燈靈活智能的管理，實(shí)現校園內任一線(xiàn)路，任一個(gè)路燈的定時(shí)開(kāi)關(guān)、強制開(kāi)關(guān)、亮度調節，以及定時(shí)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(lèi)接入能源進(jìn)行統計分析，包含同比分析、環(huán)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(lèi)進(jìn)行采集和統計的各類(lèi)建筑耗電數據。如辦公類(lèi)建筑耗電、教學(xué)類(lèi)建筑耗電、學(xué)生宿舍耗電等，對數據分門(mén)別類(lèi)的分析，提供領(lǐng)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(dòng)完成能耗數據的采集工作，自動(dòng)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(tài)，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(lián)網(wǎng)、大數據、云計算等現代信息技術(shù)，將分散的火災自動(dòng)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(wǎng)絡(luò )，并對這些設備的狀態(tài)進(jìn)行智能化感知、識別、定位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集消防信息，通過(guò)云平臺進(jìn)行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實(shí)現科學(xué)預警火災、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責任監管等目標。實(shí)現了無(wú)人化值守智慧消防，實(shí)現智慧消防“自動(dòng)化"、“智能化"、“系統化"需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯(lián)動(dòng)，在統一的系統大平臺內運行，用戶(hù)、安保人員、監管單位都能夠通過(guò)平臺直觀(guān)地看到每一棟建筑物中各類(lèi)消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時(shí)間內，相關(guān)報警和事件信息通過(guò)手機短信、語(yǔ)音電話(huà)、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關(guān)人員。

5結束語(yǔ)

本文監控系統設計以STM32主控芯片實(shí)現多路數據的采集,數據的傳輸方式是無(wú)線(xiàn)加有線(xiàn),將數據上傳到云平臺實(shí)現實(shí)時(shí)遠程監控,主控制器對數據進(jìn)行判斷，從而控制宿舍的用電。經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間測試，有較高的可靠性和穩定性,網(wǎng)絡(luò )云端顯示數據準確,能夠實(shí)現實(shí)時(shí)監控以及用電控制功能,有效避免了大功率用電器的長(cháng)時(shí)間使用。該設計的人機交互方面還存在不足,下一步將著(zhù)重于前端的完善。

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