k1体育浅谈宿舍用电监控系统设计与解决方案

　　k1体育很多高校宿舍的用电功率存在限制,为此设计了宿舍用电智能监控系统。系统由主控制器、采集部分k1体育、通信部分组成。利用STM32作为主控芯片,采集部分采用BL0937芯片采集电压和电流,采集多条线路用电数据,各路数据采集通道均采用隔离保护,通信部采用4G、LoRa无线通信模块和串口。主控制器经4G模块将数据传输到网络云端实时监控,宿舍的用电功率超过设定的功率时,系统会发送消息给该宿舍的宿舍长,警告宿舍及时管理用电器,否则就会对该宿舍断电，防止事故的发生,也能更方便地控制宿舍用电情况。经实际测试应用,该监控系统数据处理及时、运行稳定,满足系统应用需要。

　　如今电器种类庞杂,方便了我们的生活,但用电事故也在不断发生。电器的功率参数参差不齐，使用时线路负荷过大会造成电气火灾、触电等事故。学校里用电事故主要是由于使用大功率电器造成的。许多高校宿舍建立时间较长,线路出现老化,在使用大功率电器时产生热量较多，到一定程度就会发生火灾。学生用电时不按照用电安全规定和管理要求,拖接各类违规电器设备，随意拉线、接线,易发生触电、火灾等安全事故。宿舍用电智能监控系统可以有效减少宿舍用电事故的发生。设计由STM32芯片作为主控电路,从机采集电压、电流多路数据量，再经过计算得出每个宿舍的用电功率,并且每条线路均采用信号隔离技术使其独立工作,得到的数据由LoRa无线模块传输到主机，再利用4G通信将数据上传至网络云端，实现用电功率的远程监控，同时数据反馈给主机，主机检测是否超过管理者设定的功率,若超过发送消息到宿舍长警告该宿舍,不进行处理将会对该宿舍断电，避免了危险事故的发生。

　　系统整体设计分为主机和从机两部分,主要由数据采集电路、处理电路、传输电路组成.数据采集电路基于BL0937设计,BL0937的VP引脚接入线路中采集电压信号,BL0937的IP和IN引脚则采集电流信号,由耦合隔离电路传入从机的脉冲信号捕获通道,捕获到的脉冲信号的频率经过公式计算出功率，再经LoRa无线通信模块使数据传输到主机,主机根据计算出的功率，发出相应的控制命令,管理宿舍用电，并将数据封装处理后由4G无线通信模块上传到网络云端。

　　宿舍用电智能监控系统硬件电路结构主要包括电源转换电路、STM32主控制器、BL0937 采集电路和LoRa无线G无线 电源转换电路

　　为得到12V的直流电源为系统供电,采用AC-DC的降压模块对220V的交流电源进行转换。随后使用B1205-2W的隔离型电源器件,将12V的直流电源进一步转换为所需要使用5V的直流电，使用隔离型电源器件B1205-2W的好处在于保护STM32主控芯片,以及一些其他的外部电路,确保使用的安全性以及设计的可行性。*后使用低压线.8、1.9、2.5、3.3和5V,输出电流*高可达1A，且片内集成过热保护和过流保护模块，保证芯片和系统的安全，5 V的直流电源转化成可以为STM32主控芯片直接供电的3.3V电源。电源转换电路图见图2。

　　采集电路采用的是一款电能计量芯片BL0937,集成了参考电压模块、电源管理模块和计算功率k1体育、电流、电压的有效值等数字电路,可以输出电流和电压有效值脉冲信号。BL0937有两种输出模式,一种是输出电流、电压的脉冲信号,另一种是输出电能计量的脉冲号。BL0937 芯片的体积很小,内置了晶振、参考电源和两路ADC。通过精简的数字算法和高效的硬件结构,在满足所要求的功能和性能前提下,硬件消耗和功耗都非常低，外围结构简单、成本低,非常适合插座表等智能产品中的简单电能计量,具有较高的性价比。

　　理想的p（t）只包括两部分：直流部分和频率为2ω的交流部分.前者又称为瞬时实功率信号,瞬时实功率是电能表测量的首要对象。BL0937的VP引脚输入电压,IN和IP引脚输入电流,通过信号处理求出两个通道中采集数据的乘积,得到有功功率并以脉冲信号的形式从CF输出,对采集的输入电压和输入电流有效值,也以脉冲信号的形式从CF1输出,通过计算他们的频率就能算出有效值。

　　采集电路见图3。采集对象是市电电压,芯片正常工作采集的电压信号应通过分压电路调整到200mV以内，电路使用了6个330kΩ电阻串联的分压方法,分压后1kΩ电阻上有大约110mV的电压信号,市电在176~264V浮动时,此信号会在88~132mV之间,符合芯片要求。电流采样电路电阻可以采用康铜电阻或者合金电阻,电阻值的选择则需要根据采样电流大小。芯片内部集成了两路ADC,需要在采样端增加RC滤波电路,达到滤除高频干扰信号的效果。

　　数据传输部分采用了基于SX1278的LoRa无线模块,远程调制解调增加了传输距离,功耗更低。调制技术,使传输距离变得更远,传输时的灵敏度达到了-148dbm,功率输出+18dBm,可靠性强,抗干扰能力强.对比传统调制技术,抗阻塞得到了提高。LORA成功实现了低功耗和远距离的统一,在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远,比传统的无线倍。以往设计中无法同时具备距离远、抗干扰强和功耗低的难题也得以解决,该模块以其低功耗、成本低和远距离的优势应用于各种物联网项目中,实现可靠组网和无线通信,适用于远程抄表、实时数据传输等,是物联网产品的*佳选择。

　　LoRa无线V,LoRa模块由SPI总线的前两个引脚分别接地和3.3V供电,3脚是SPI时钟输入引脚,4、5脚是数据的输入输出脚,分别接PA6和PA7,6脚是片选引脚,接PB7,在传输数据时拉低此引脚,传输完*后一个字节再拉高,7脚接主控制器的PA2,用于读取中断标志位,8脚接PA4,为复位引脚。

　　2.4 4G无线G无线通信模块,下行速率、上行速率分别可达150Mbps和50Mbps。可以向下兼容GSM或GPRS网络,保证在没3Gk1体育、4G网络的地区也能使用,有多种网络协议,具备工业标准接口,兼容多种驱动和软件应用,有UART接口,将它连接到MCU或PC设备上,可以实现供电、固件下载、AT指令等功能。

　　系统数据的上传是通过4G无线通信模块,基于HTTP通信协议将数据上传到云端服务器远程监控。该设计是经UART口发送AT指令控制4G模块进行配置网络、数据传输等功能,4G模块有两个UART口,UART1是AT调试串口,UART2是普通串口,将UART1的RXD、TXD分别连接到主控制器的串口引脚,PA2和PA3用来传输AT指令。

　　根据要求需要实现数据采集、数据传输、访问云端这些功能,定时捕获脉冲信号的频率并转换成功率,利用主控制器的串口外设控制无线模块,将采集的功率传输到网络云端,实现远程监控的功能。

　　程序中配置了SPI总线、串口、PWM捕获通道这些外设,SPI总线驱动LoRa无线模块,通过读/写寄存器的方式,控制LoRa模块接收、发送PWM捕获脉冲信号的数据,再由串口发送AT指令控制4G模块上传数据到网络云端，主控制器根据数据判断是否发出控制命令。PWM捕获通道将脉冲信号的频率计算出来,通过程序内编写的公式把频率转换成功率。

　　式（1）中：FCF为捕获脉冲信号的频率,Vref为基准电压1.28V,V（V）和V（I）分别是两个电压、电流采集管脚的电压有效值,相乘得出功率。

　　该设计中,LoRa无线通信电路用与数据的传输并保证稳定和准确。主控制器上电后初始化设备,数据的发送是通过SPI总线将LoRa配置为发送模式,读取中断引脚为高电平时,在空闲状态下写入FIFO，数据填充完毕后进入到发送状态。在LoRa配置为连续接收模式时,从机的接收端会一直扫描接收通道,判断是否有数据,接收到有效数据包之后，需要扫描,然后接收数据并进行CRC检验。置FIFO地址指针指到接收的基地址上，若模块收到前导码时,先接收数据头,再接收数据包，接收完后CRC校验通过后读取数据并保存。

　　集成设备所有数据，综合分析、协同控制、优化运行，集中调控，集中监控，数字化巡检，移动运维，班组重新优化整合，减少人力配置。

　　采用网络抄表付费管理技术，实现电、水、气等能源综合计费，实现远程抄表、费率设置、账单统计汇总等，支持微信、支付宝、一卡通等充值支付方式，可设置补贴方案。通过能源付费管理方式，培养用能群体和部门的节能意识。

　　针对学生宿舍用电进行管理控制：可批量下发基础用电额度和定时通断功能；可进行恶性负载识别，检测违规电气，并可获取违规用电跳闸记录。

　　充电桩在“源、网、荷、储、充”信息能源结构中是必不可缺的。充电桩应用管理同样是校园生活服务中必不可缺的一部分。

　　通过对高校路灯的全局监测，提供对路灯灵活智能的管理，实现校园内任一线路，任一个路灯的定时开关、强制开关、亮度调节，以及定时控制方案灵活设置，确保路灯照明的智能控制和高效节能。

　　针对校园水、电、气等各类接入能源进行统计分析，包含同比分析、环比分分析、损耗分析等。了解用能总量和能源流向。

　　按校园建筑的分类进行采集和统计的各类建筑耗电数据。如办公类建筑耗电、教学类建筑耗电、学生宿舍耗电等，对数据分门别类的分析，提供领导决策，提高管理效能。

　　构建符合校园节能监管内容及要求的数据库，能自动完成能耗数据的采集工作，自动生成各种形式的报表、图表以及系统性的能耗审计报告，能够监测能耗设备的运行状态，设置控制策略，达到节能目的。

　　智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术，将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络，并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位，实时动态采集消防信息，通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”需求。从火灾预防，到火情报警，再到控制联动，在统一的系统大平台内运行，用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况，并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下，在几秒时间内，相关报警和事件信息通过手机****、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段，就迅速能够迅速通知到达相关人员。

　　AcrelCloud-1000变电所运维云平台基于互联网＋、大数据、移动通讯等技术开发的云端管理平台，满足用户或运维公司监测众多变电所回路运行状态和参数、室内环境温湿度、电缆及母线运行温度、现场设备或环境视频场景等需求，实现数据一个中心，集中存储、统一管理，方便使用，支持具有权限的用户通过电脑、手机、PAD等各类终端链接访问、接收报警，并完成有关设备日常和定期巡检和派单等管理工作。

　　分合闸位置、手车工作/试验位置、接地刀闸位置、硬接点信号(保护跳闸、装置告警、控制回路断线、装置异常、未储能、事故总等)、报文(过流、过负荷、超温报警、过温报警、装置告警、PT断线、CT断线、对时异常等)、遥控开关、故障波形分析(故障录波、故障波形、故障记录、跳闸、故障电流电压)等。

　　一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、自动温湿度控制及显示（标配一路强制加热）、远方/就地旋钮、分合闸旋钮、储能旋钮、人体感应、柜内照明控制、RS485接口、高压柜内电气接点无线kV传感器

　　可至多配套60个ATE400测温传感器，无线适用于手车式动触头，电缆与母排搭接处，隔离刀闸搭接处等电气搭接点的温度测量，采用捆绑式安装。可使用ATC-400无线测温接收器接收数据。该终端可单独安装在高压柜、低压抽屉柜内。

　　三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级

　　支持12路三相或36路单相组合计量，可单三相混用，直接接入与互感器接入混用：

　　相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压／电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动／闪变、电压暂升、电压暂降k1体育、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G,16D0+22D1,通讯

　　2RS485+1RS232+1GPS,3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口，支持U盘读取数据，支持61850协议。

　　全电量测量，四象限电能，复费率电能，仪表内部温度测量，总有功、总无功、总视在电能脉冲输出、秒脉冲等可选。三相电流、有功功率、无功功率、视在功率实时需量(包含时间戳)。电流、线电压、相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、电流总谐波、电压总谐波的本月值和上月值(包含时间戳)。中文显示，有功电能0.2s级。通讯方式：RS485，Prifibus-DP、以太网

　　ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电

　　3、4路16A磁保持继电器输出，输出可通过按钮手动控制，输出状态液晶屏显示。

　　3、4路16A磁保持继电器输出，输出可通过按钮手动控制，输出状态液晶屏显示。

　　7、IP地址设置连接、ALIBUS系统组网扩容、ALIBUS通讯软件连接

　　具有全电量测量，电能统计，电能质量分析及网络通讯等功能，主要用于对电网供电质量的综合监控诊断及电能管理。该系列仪表采用了模块化设计，当客户需要增加开关量输入输出，模拟量输入输出，SD卡记录，以太网通讯时，只需在背部插入对应模块即可。

　　三相全电量测量，2-63次谐波，不平衡度，需量，支持付费率，越限报警，SOE,4-20mA输出。

　　DIN35mm导轨式安装结构，体积小巧，能测量电能及其他电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，精度高、可靠性好、性能指标符合国标GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和电力行业标准DL/T614-2007对电能表的各项技术要求，并且具有电能脉冲输出功能；可用RS485通讯接口与上位机实现数据交换。

　　三相全电量测量，剩余电流、2-63次谐波，支持付费率，量值、电缆温度，可选2G/4G通讯。

　　接收电气火灾监控探测器信号和各区域分机数据，实现对被保护电气线路的报警k1体育、监视、控制与管理，可采用485通讯。

　　接收消防设备电源监控探测器信号和各区域分机数据，实现对被保护电气线路的报警、监视、控制与管理，可采用二总线防火门监控系统

　　接收防火门监控模块和防火门一体式探测器的信号，实现对防火门开闭状态的报警、监视、控制与管理，采用二总线通讯。

　　接收防火门监控模块和防火门一体式探测器的信号以及各区域分机的实时数据，实现对防火门开闭状态的报警、监视、控制与管理，采用二总线结束语

　　本文监控系统设计以STM32主控芯片实现多路数据的采集,数据的传输方式是无线加有线,将数据上传到云平台实现实时远程监控,主控制器对数据进行判断，从而控制宿舍的用电。经过长时间测试，有较高的可靠性和稳定性,网络云端显示数据准确,能够实现实时监控以及用电控制功能,有效避免了大功率用电器的长时间使用。该设计的人机交互方面还存在不足,下一步将着重于前端的完善。

　　【1】马光伟，樊广晓，王玉虎，卜翠翠，陈佳乐，付广春.宿舍用电监控系统设计[J]河南科技学院.2020（48）：68-73.

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