基于物聯(lián)網(wǎng)的用電器識別監(jiān)控系統(tǒng)

　　摘要：采用基于ADE7758電能計(jì)量芯片和STM32單片機(jī)所組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。將ADE7758采集的電壓電流信號通過SPI通信串口發(fā)送到STM32單片機(jī)中進(jìn)行線性校準(zhǔn)，高精度三相電能測量芯片采集到的電壓與電流進(jìn)行分析、處理后，得到電特征參數(shù)，功率分析儀對得到的電特征參數(shù)進(jìn)行校正，最后通過wifi模塊將STM32采集到的信號通過wifi，在app上顯示用電器的種類狀態(tài)。

　　關(guān)鍵詞：電器識別；STM32F1；AED7758；WIFI模塊；手機(jī)APP

　　引言

　　針對目前市場上的電器設(shè)備和電力狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和參數(shù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)的指針儀表式和數(shù)字儀表式的參數(shù)顯示均有其自身的缺陷。前者雖然原理簡單，制作輕松，但是讀數(shù)不穩(wěn)，誤差過大，不適合現(xiàn)階段的精密統(tǒng)計(jì)的需要；后者雖說精度很高，將數(shù)據(jù)采集與芯片單片機(jī)配合，但是自身計(jì)算量很大，軟件設(shè)計(jì)過于繁瑣。然而本文采用STM32F103開發(fā)版單片機(jī)為主控模塊，設(shè)計(jì)了主要包含電參數(shù)測量模塊、顯示模塊和電源模塊等的單相用電器分析監(jiān)測裝置。通過單相雙向功率/電能IC芯片AED7758測量負(fù)載工作時(shí)的瞬時(shí)電壓、電流以及功率因數(shù)等電參數(shù)，在此基礎(chǔ)上利用主控模塊中的算法程序，判斷并顯示單相用電器的種類和工作狀態(tài)，將此判斷結(jié)果通過機(jī)智云APP顯示在手機(jī)上顯示。

　　本文從硬件和軟件兩方面著手設(shè)計(jì)電路。硬件方面通過對器件的比較實(shí)驗(yàn)，對電路的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了采集速度快，抗干擾能力強(qiáng)且電路簡潔的特點(diǎn)。軟件方面使用keiluVision5編程程序，將各個(gè)引腳功能明細(xì)編寫，從而簡化程序，節(jié)約時(shí)間。

　　一．設(shè)計(jì)方案

　　本裝置涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及高精度電能采集芯片，STM32開發(fā)板，WIFI模塊等。通過將采集到的單相電流、電壓信號通過電流互感器、電壓互感器、放大電路等組成的電流電壓信號調(diào)成電路轉(zhuǎn)換為ADE7758芯片所需要的信號，再通過SPI與STM32單片機(jī)完成通信，通過WIFI模塊esp8266將STM32采集到的信號通過wifi，發(fā)送到手機(jī)機(jī)智云APP界面上，并在手機(jī)上以APP端口的形式顯示出來，圖1-1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

　　圖1系統(tǒng)原理

　　二．硬件設(shè)計(jì)

　　硬件部分通過電壓互感器、電流互感器、濾波電路、ADE7758芯片等，將采集到的電壓、電流信后通過電壓、電流互感器和濾波電路等轉(zhuǎn)換為ADE7758芯片所需的電壓電流信號，ADE7758芯片通過SPI串行接口與STM32連接，STM32將信號通過esp8266wifi模塊與手機(jī)APP通信。裝置主要由電特征參數(shù)采樣，參數(shù)處理，電器識別、Wifi模塊等幾個(gè)部分組成。電特征參數(shù)采集通過電壓互感器、電流互感器濾波電路、放大電路設(shè)計(jì)硬件電路，采集電壓、電流信號輸入到參數(shù)處理模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。參數(shù)處理使用高精度三相電能測量芯片對采集到的電壓與電流進(jìn)行分析、處理后，得到有功功率、無功功率、功率因數(shù)等電特征參數(shù)，通過功率分析儀對得到的電特征參數(shù)進(jìn)行校正，通過SPI傳輸?shù)絊TM32模塊【1-2】，然后通過wifi模塊在手機(jī)上顯示，圖1-2為芯片與單片機(jī)連接電路圖。

　　圖2芯片與單片機(jī)連接電路圖

　　電器識別首先通過不同用電器的不同功率來劃分該用電器所屬于的電器范圍，功率因數(shù)是家用電器的另一個(gè)基本特征，不同類型的用電器的功率因數(shù)大不相同。本系統(tǒng)將結(jié)合功率變化和功率因數(shù)的大小來對接入電網(wǎng)中的用電器類型進(jìn)行初步的篩選和判斷。通過wifi模塊實(shí)現(xiàn)stm32與手機(jī)APP信息的交換。

　　三．軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分選擇STM32F103開發(fā)版單片機(jī)作為數(shù)據(jù)的處理芯片，主要是對電量采集芯片參數(shù)的讀取以及處理，根據(jù)對預(yù)設(shè)的電流值和有功功率等進(jìn)行對比分析后，得到需要的不同電器設(shè)備的不同工作狀態(tài)；編寫手機(jī)APP程序。

　　該裝置能夠根據(jù)電源線的電參數(shù)分析用電器類別和工作狀態(tài)，采用ADE7758芯片和STM32F103開發(fā)版單片機(jī)組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，通過STM32F103開發(fā)板與電能采集芯片進(jìn)行SPI通信，之后經(jīng)過微處理器來采集和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，能夠用軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，處理和儲存，且具有學(xué)習(xí)功能，在學(xué)習(xí)功能下測試并儲存?zhèn)€單件電氣在各種狀態(tài)下用于識別電氣及其工作狀態(tài)的特征參數(shù)。本系統(tǒng)可以從手機(jī)APP中，實(shí)時(shí)監(jiān)測拖線板電源線的工作電流、電壓、有功功率和無功功率等電量信息，當(dāng)隨機(jī)增減用電器或改變使用狀態(tài)，能實(shí)時(shí)指示用電器的類別和狀態(tài)。

　　本裝置以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為研究基礎(chǔ)，從智能家居室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)入手，著眼于研究用戶和管理人員通過互聯(lián)網(wǎng)對室內(nèi)用電環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控和控制的通用技術(shù)，完成了電器識別功能模塊，并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)用電安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)工作。該裝置能夠根據(jù)電源線的電參數(shù)分析用電器類別和工作狀態(tài)。圖3為軟件流程圖

　　圖3軟件流程圖

　　四．APP設(shè)計(jì)

　　本文通過機(jī)智云APP與機(jī)智云開發(fā)板，利用WIFI模塊，將STM32的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP界面上。通過機(jī)智云端口界面設(shè)計(jì)，可以清晰地看到線路上的電流信號，以及各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)。通過此APP界面將原本繁瑣的數(shù)據(jù)表格展現(xiàn)地更加簡潔明了。在傳統(tǒng)的儀表指針和數(shù)字儀表的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)表現(xiàn)得更精確，展示形式更方便，體現(xiàn)了更加自動(dòng)化的理念。

　　測試方案及結(jié)果

　　1.測試設(shè)備與方法

　　所用的測試設(shè)備有：高精度信號發(fā)生儀，高精度萬用表。測試方法如下：

　?。?）精確設(shè)計(jì)電壓、電流互感器參數(shù)后，使用WT1800功率分析儀對不同電器進(jìn)行電特征參數(shù)進(jìn)行記錄，分析其規(guī)律。并對ADE7758采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校對，保證ADE7758模塊采集到的電特征參數(shù)的準(zhǔn)確性。

　?。?）使用頻率分析儀得到的數(shù)據(jù)對不同用電器的特征進(jìn)行采集后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，通過STM32F103系統(tǒng)板處理，記憶不同電器的特征參數(shù)，當(dāng)拖線板上接有不同的電器的時(shí)，STM32系統(tǒng)能夠做出判斷，并最終在手機(jī)APP上顯示出來。

　　2.測試記錄

　　用功率分析儀對各個(gè)用電設(shè)備參數(shù)進(jìn)行記錄。表3-1為各個(gè)用電設(shè)備工作參數(shù)，圖3-1為功率分析儀測試界面。

　　表3-1各用電設(shè)備工作參數(shù)

　　圖3-1WT1800功率分析儀測試界面（數(shù)據(jù)）

　　3.測試結(jié)果顯示

　　用本測試設(shè)備，對線路上工作的負(fù)荷進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3-2所示：

　　圖3-2部分用電器關(guān)鍵特征參數(shù)

　　功能描述

　　本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境監(jiān)測，安全報(bào)警，家電的智能調(diào)節(jié)以及家用電器的遠(yuǎn)程控制等功能。本系統(tǒng)與家庭生活中各種應(yīng)用系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，通過綜合管理，讓家庭生活更加舒適，安全，有效，節(jié)能。

　　發(fā)展?jié)摿?/p>

　　背景

　　隨著社會的發(fā)展，生活水平的提高，人們對于生活質(zhì)量提出了更高的要求，低碳，環(huán)保，綠色，安全，便捷的生活已經(jīng)成為人們追求的目標(biāo)，同時(shí)個(gè)性化的生活空間也成為越來越多人的追求。

　　技術(shù)

　　物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為當(dāng)今世界新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)對于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展具備了一定的技術(shù)，產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用基礎(chǔ)，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢態(tài)。

　　對比

　　目前市面上家居產(chǎn)品種類繁多，無論是傳統(tǒng)的有線連接方式，還是新型的無線連接方式，都具有安裝麻煩，操作繁瑣，系統(tǒng)龐大，耗能高等缺點(diǎn)。并且大多數(shù)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)費(fèi)用昂貴，僅適用于新型的現(xiàn)代化建筑。

　　結(jié)論

　　本文介紹了電能采集系統(tǒng)基于ADE7758電能芯片，不需要其他外擴(kuò)芯片即可進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換等功能，極大簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；利用wifi模塊將用電器種類及狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送到手機(jī)APP上，大大提升了使用的方便性

　　本設(shè)計(jì)產(chǎn)品具有與手機(jī)APP相連，體積小，耗能低，方便攜帶，安裝方便，操作簡單，應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足智能家居的要求，也可以應(yīng)用到糧倉，化工廠等工業(yè)場所的環(huán)境監(jiān)測，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]馬磊，周琪，劉瑋蔚．一種全自動(dòng)介質(zhì)損耗標(biāo)準(zhǔn)器的研發(fā)[J]．電測與儀表，2011（12）：79-82．

　　[2]劉世飛．居民用戶電力需求響應(yīng)控制器的研究與設(shè)計(jì)[D]．北京：華北電力大學(xué)，2016：32-41．

　　作者趙宇博白園飛舒航項(xiàng)志豪郭怡歌楊志偉

《基于物聯(lián)網(wǎng)的用電器識別監(jiān)控系統(tǒng)》

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