高校綜合能效解決方案在宿舍用電監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

宿舍用電智能監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)分為主機(jī)和從機(jī)兩部分,主要由數(shù)據(jù)采集電路、處理電路、傳輸電路組成.數(shù)據(jù)采集電路基于BL0937設(shè)計(jì),BL0937的VP引腳接入線路中采集電壓信號(hào),BL0937的IP和IN引腳則采集電流信號(hào),由耦合隔離電路傳入從機(jī)的脈沖信號(hào)捕獲通道,捕獲到的脈沖信號(hào)的頻率經(jīng)過(guò)公式計(jì)算出功率，再經(jīng)LoRa無(wú)線通信模塊使數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī),主機(jī)根據(jù)計(jì)算出的功率，發(fā)出相應(yīng)的控制命令,管理宿舍用電，并將數(shù)據(jù)封裝處理后由4G無(wú)線通信模塊上傳到網(wǎng)絡(luò)云端。

187-0199-7519

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

宿舍用電智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)主要包括電源轉(zhuǎn)換電路、STM32主控制器、BL0937 采集電路和LoRa無(wú)線通信電路、4G無(wú)線通信電路。

2.1 電源轉(zhuǎn)換電路

為得到12V的直流電源為系統(tǒng)供電,采用AC-DC的降壓模塊對(duì)220V的交流電源進(jìn)行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(hù)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(shè)計(jì)的可行性。*后使用低壓線性穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3，AMS1117輸入電壓*高可達(dá)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(dá)1A，且片內(nèi)集成過(guò)熱保護(hù)和過(guò)流保護(hù)模塊，保證芯片和系統(tǒng)的安全，5 V的直流電源轉(zhuǎn)化成可以為STM32主控芯片直接供電的3.3V電源。電源轉(zhuǎn)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(jì)量芯片BL0937,集成了參考電壓模塊、電源管理模塊和計(jì)算功率、電流、電壓的有效值等數(shù)字電路,可以輸出電流和電壓有效值脈沖信號(hào)。BL0937有兩種輸出模式,一種是輸出電流、電壓的脈沖信號(hào),另一種是輸出電能計(jì)量的脈沖號(hào)。BL0937 芯片的體積很小,內(nèi)置了晶振、參考電源和兩路ADC。通過(guò)精簡(jiǎn)的數(shù)字算法和高效的硬件結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(jì)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(hào),瞬時(shí)實(shí)功率是電能表測(cè)量的首要對(duì)象。BL0937的VP引腳輸入電壓,IN和IP引腳輸入電流,通過(guò)信號(hào)處理求出兩個(gè)通道中采集數(shù)據(jù)的乘積,得到有功功率并以脈沖信號(hào)的形式從CF輸出,對(duì)采集的輸入電壓和輸入電流有效值,也以脈沖信號(hào)的形式從CF1輸出,通過(guò)計(jì)算他們的頻率就能算出有效值。

采集電路見(jiàn)圖3。采集對(duì)象是市電電壓,芯片正常工作采集的電壓信號(hào)應(yīng)通過(guò)分壓電路調(diào)整到200mV以?xún)?nèi)，電路使用了6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(hào),市電在176~264V浮動(dòng)時(shí),此信號(hào)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(jù)采樣電流大小。芯片內(nèi)部集成了兩路ADC,需要在采樣端增加RC濾波電路,達(dá)到濾除高頻干擾信號(hào)的效果。

2.3 LoRa無(wú)線通信電路

數(shù)據(jù)傳輸部分采用了基于SX1278的LoRa無(wú)線模塊,遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)增加了傳輸距離,功耗更低。調(diào)制技術(shù),使傳輸距離變得更遠(yuǎn),傳輸時(shí)的靈敏度達(dá)到了-148dbm,功率輸出+18dBm,可靠性強(qiáng),抗干擾能力強(qiáng).對(duì)比傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù),抗阻塞得到了提高。LORA成功實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一,在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn),比傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信距離擴(kuò)大3~5倍。以往設(shè)計(jì)中無(wú)法同時(shí)具備距離遠(yuǎn)、抗干擾強(qiáng)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(yuǎn)距離的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中,實(shí)現(xiàn)可靠組網(wǎng)和無(wú)線通信,適用于遠(yuǎn)程抄表、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的*佳選擇。

LoRa無(wú)線通信電路見(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總線驅(qū)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時(shí)拉低此引腳,傳輸完*后一個(gè)字節(jié)再拉高,7腳接主控制器的PA2,用于讀取中斷標(biāo)志位,8腳接PA4,為復(fù)位引腳。

2.4 4G無(wú)線通信電路

Air720H是一款4G無(wú)線通信模塊,下行速率、上行速率分別可達(dá)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(qū)也能使用,有多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,具備工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口,兼容多種驅(qū)動(dòng)和軟件應(yīng)用,有UART接口,將它連接到MCU或PC設(shè)備上,可以實(shí)現(xiàn)供電、固件下載、AT指令等功能。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)的上傳是通過(guò)4G無(wú)線通信模塊,基于HTTP通信協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控。該設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?4G模塊有兩個(gè)UART口,UART1是AT調(diào)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)要求需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、訪問(wèn)云端這些功能,定時(shí)捕獲脈沖信號(hào)的頻率并轉(zhuǎn)換成功率,利用主控制器的串口外設(shè)控制無(wú)線模塊,將采集的功率傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)云端,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)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(shè),SPI總線驅(qū)動(dòng)LoRa無(wú)線模塊,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(hào)的數(shù)據(jù),再由串口發(fā)送AT指令控制4G模塊上傳數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)云端，主控制器根據(jù)數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)出控制命令。PWM捕獲通道將脈沖信號(hào)的頻率計(jì)算出來(lái),通過(guò)程序內(nèi)編寫(xiě)的公式把頻率轉(zhuǎn)換成功率。

式（1）中：FCF為捕獲脈沖信號(hào)的頻率,Vref為基準(zhǔn)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)線通信程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)發(fā)送、接收流程如圖6所示。

該設(shè)計(jì)中,LoRa無(wú)線通信電路用與數(shù)據(jù)的傳輸并保證穩(wěn)定和準(zhǔn)確。主控制器上電后初始化設(shè)備,數(shù)據(jù)的發(fā)送是通過(guò)SPI總線將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(shù)據(jù)填充完畢后進(jìn)入到發(fā)送狀態(tài)。在LoRa配置為連續(xù)接收模式時(shí),從機(jī)的接收端會(huì)一直掃描接收通道,判斷是否有數(shù)據(jù),接收到有效數(shù)據(jù)包之后，需要掃描,然后接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行CRC檢驗(yàn)。置FIFO地址指針指到接收的基地址上，若模塊收到前導(dǎo)碼時(shí),先接收數(shù)據(jù)頭,再接收數(shù)據(jù)包，接收完后CRC校驗(yàn)通過(guò)后讀取數(shù)據(jù)并保存。

4高校綜合能效解決方案

4.1校園電力監(jiān)控與運(yùn)維

集成設(shè)備所有數(shù)據(jù)，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運(yùn)行，集中調(diào)控，集中監(jiān)控，數(shù)字化巡檢，移動(dòng)運(yùn)維，班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。

【參考文獻(xiàn)】

【1】馬光偉，樊廣曉，王玉虎，卜翠翠，陳佳樂(lè)，付廣春.宿舍用電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]河南科技學(xué)院.2020（48）：68-73.

【2】張西珠,劉廷廷,張一航.大學(xué)生宿舍的用電安全性分析及管理方案[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊,2020,28（23）：195-196.

【3】高校綜合能效解決方案2022.5版.

【4】企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.