面向智能家居的實時電能信息采集系統設計

劉迎澍，楊旭輝

（天津大學 電氣與自動化工程學院，天津　300072）

面向智能家居的實時電能信息采集系統設計

劉迎澍，楊旭輝

（天津大學 電氣與自動化工程學院，天津300072）

通過對智能家居內部的用電負荷進行實時監測、并對不同負荷的運行實施優化安排，能夠有效實現節能降耗的目標。為此，設計了以STM32嵌入式系統為核心的電能信息實時采集系統。該系統包括電能信息采集、無線通信、顯示、存儲和故障報警等模塊，能夠實現用電信息的實時采集、顯示，歷史數據查詢和故障報警功能。實驗結果表明，本系統有助于實現負荷運行的精細化管理，滿足智能家居的需要。

STM32；實時數據采集；RN8209；智能家居

隨著新能源革命的興起和信息技術的發展，智能家居在智慧城市中的作用與日俱增。智能家居系統以住宅為平臺，通過先進測量、通信、控制等技術的集成，在改善生活質量的同時，也擔負著節能降耗的重任。但是，現有的大多數電器不具備智能用電管理的功能，這使智能家居中的用電負荷監測和需求側管理都面臨著困難。同時，隨著分布式發電（如屋頂光伏）和家庭儲能設備的推廣應用，也需要對逆變器輸出的電能質量進行實時監測。由此可見，電能信息采集系統在智能家居中發揮著重要作用，它為各種用電負荷的運行監測和智能控制提供重要的實時信息，使智能家居中的用電更安全高效［1-3］。

為此，文中設計了面向智能家居的電能信息采集系統。結合家庭實際環境和減少布線的要求，文中設計的電能信息采集系統采用無線通信來傳輸用電信息和控制指令，保證了電能信息采集模塊可以靈活地布置在入戶總線、用電設備、重點支路等位置。主控模塊對各種負荷的電能信息進行集中采集和管理，方便用戶實時了解用電情況，做出合理的用電方案。當線路出現故障時能夠及時處理，以保證其它設備的正常運行，減少故障影響范圍。

1　總體設計方案

電能信息采集系統整體結構如圖1所示。系統采用STM32作為主控制器，負責協調各模塊的工作，通過無線方式與各節點通信，對接收數據處理后完成數據的存儲、顯示和異常處理功能。主控制器向各采集模塊發送采集命令，采集模塊完成設備或支路電能數據的采集并上傳。各模塊的工作電源由220 V轉5 V功率為2.5 W的AC/DC提供，為保證主控制模塊的可靠工作它的工作電源由入戶側接入，各采集模塊則由接入點取電。線路開關與采集模塊配合使用，用來控制采集模塊接入位置的通斷。采集系統的通信接口，可以根據需要連接遠程數據傳輸裝置，進而達到對家庭電能信息遠程監控的目的。

2　硬件設計

2.1STM32主控制器

STM32F103ZET6是意法半導體公司生產的基于ARM核心32位增強型微處理器，帶有外部總線，可以用來外擴SRAM和連接LCD等要求數據傳輸速率高的設備。其工作頻率最高可達72 MHz，而且資源豐富，功耗低，為工業控制、智能儀表等領域的應用提供了性價比很高的選擇。

主控制器外圍包括SD存儲，LCD顯示，無線通信等模塊。因為 STM32系列芯片工作電壓為 3.3 V，因此利用AMS1117設計了一個電壓轉換電路。STM32外圍模塊如圖2所示。

2.2電能信息采集模塊

采集模塊是整個系統工作的基礎，它承擔著電能信息測量和數據上傳的功能。經過對比我們選擇單相專用電能計量芯片RN8209完成采集的任務［4］。RN8209可以測量有功功率，無功功率，用電能量，電壓電流和線頻率等參量，并且支持全數字的增益、相位和offset校正。它內部的電源檢測電路可以保證上電和斷電時芯片可靠工作，很適合電能采集領域。L線電流經采樣電阻輸入V1通道，N線電流經互感變換輸入V2通道，線電壓經電阻分壓電路輸入電壓采集通道，RN8209采集電路設計如圖3所示。數據的讀取和上傳功能，由一片8位低功耗單片機UPD78F9224和無線通信芯片來完成。單片機以SPI方式與RN8209通信，讀取采集數據并按照通信協議處理后通過NRF24L01向主控制器上傳。

圖1　采集系統整體結構圖

圖2　STM32外圍模塊

2.3顯示模塊

為了方便掌握家庭實時用電信息，主控制器擴展了一塊2.8寸TFTLCD顯示屏，支持16位真彩顯示，分辨率達到320×240，它由ILI9320液晶控制器來控制顯示數據。LCD接于主控制器FSMC接口；FSMC可以與同步或異步存儲器連接，LCD在此當作SRAM設備接入FSMC的數據總線。它的RS控制端接FSMC的10號地址線，引腳電平為0表示寫命令，為1表示寫數據。其電路如圖2中LCD所示。

正常運行時循環顯示各節點的電壓電流，有功，頻率和用電量等信息。通過按鍵輸入，用戶可以查詢歷史用電數據。當線路故障時，在LCD下方顯示故障節點編號，便于快速定位故障位置。

2.4存儲模塊

系統要記錄大量的電能參數，我們選擇一片1G內存的SD卡來存儲數據，它兼容3.3 V電平，可以與主控制器引腳直接相連，并且方便對數據進行后續處理和應用，如方便上層能量管理系統根據歷史用電規律實現削峰填谷，優化區域能量管理。本設計中SD卡通過SPI模式傳輸數據，將其接于主控制器SPI2端口，電路如圖2中SD模塊所示。

為了對存儲的數據分類精細化管理，主控制器移植了FATFS文件系統，只需調用應用層的接口函數就可以完成對文件的讀寫等操作。主控制器以天為時間單位，對每個采集節點建立一個TXT格式的文件，每個節點每天的數據都完整保存下來，并對整體的負荷加和記錄，便于掌握家庭負荷規律和實現故障追憶的功能。

2.5其他模塊設計

無線通信模塊：本設計選用NRF24L01實現無線傳輸，它工作在2.4～2.5 GHz頻段，內置PCB天線，整個模塊體積小巧，并且高效GFSK調制，特別適合于在家居環境中實現多點通信的場合［5］。主控模塊和各節點通過設置NRF24L01的工作模式實現數據的雙向傳輸。

線路開關：線路的通斷要實現主動判斷和控制，因此選用由弱電控制的固態繼電器作為線路開關。固態繼電器由采集模塊的單片機I/O引腳控制，當I/O輸出為低電平時，線路正常供電。當測量到數據異常時，I/O輸出高電平，該支路停止供電。

報警模塊：選擇一個3.3 V驅動的蜂鳴器來提示人們異常用電信息。當采集到電壓電流超過限定值時，主控制器驅動蜂鳴器發出警報提示異常情況，對系統復位后恢復正常。

圖3　RN8209外圍電路

3　系統軟件設計

3.1通信方案

數據通信的準確可靠是整個系統穩定工作的前提條件，通過對NRF24L01的配置實現主控制器與多個采集節點的雙向數據傳輸。無線芯片均設置為Enhanced Shock BurstTM收發模式，數據低速從微處理器送入，但高速發射，與射頻協議有關的高速信號處理都在片內完成。主控制器把接收機的地址和發送的有效數據按時序送入NRF24L01，啟動發送模式，在此過程中CE引腳要保持10 μs以上高電平。射頻數據在打包過程中自動完成加字頭和CRC校驗碼，數據包高速發射成功后，IRQ引腳產生中斷，主控制器做相應處理。

主控制器設置本機地址和接收數據包的大小，設置CONFIG寄存器進入接收模式，把CE置高，芯片進入監視狀態等待采集模塊發送數據包的到來。接收到正確的數據包后，NRF24L01自動把字頭，地址和CRC校驗位移去，標志寄存器的RX_DR置位。IRQ引腳產生中斷，通知主控制器，控制器讀出數據后清除標志寄存器，完成一次采集過程。采集模塊無線芯片均設置為接收模式，當接收到采集命令后，此節點將有效數據處理后，啟動發送模式，數據發送后再次進入接收模式。主控制器與各節點用MODBUS協議作為通信標準［6］，協議采用主從原則通信，主機發送命令實現數據采集和控制繼電器狀態，采集命令結構如表1所示。

表1　采集命令結構

3.2程序流程

系統編程以C語言模塊化設計，用STM32 V3.5版本的固件庫簡化開發流程。程序主要包括發送子程序，接收子程序，采集子程序，顯示子程序和存儲子程序。主程序的主要功能是實現主控制器與各節點的輪流通信，主控制器將接收的有效數據解析后完成相應處理，當線路異常時，進入故障處理子程序。在初始化階段完成實時時鐘開啟，通信接口設置，無線芯片狀態配置等工作，為后續調用各子程序完成相應功能做準備，主程序流程如圖4所示。

故障處理子程序：主控制器記錄節點編號，在LCD下方用紅色字體顯示，驅動蜂鳴器發出警報，向采集模塊發出指令，該節點的F9224引腳輸出高電平，固態繼電器斷開該支路。待系統復位后，重新進入正常狀態。

4　實驗測試

為了測試采集系統的整體工作效果，我們接入5個采集模塊組建了一個實驗平臺，監測實驗室全天用電信息。采集模塊1用于監測逆變器輸出狀態，選用4片額定輸出270 W的光伏板經并網逆變器向電網供電。其余4個采集模塊分別接入市電插座，照明線路等位置，用于對實驗室用電器和照明線路電能信息的計量和線路監測。測試結果表明，采集系統能夠準確計量各采集點的電能參數并可靠通信。采集系統記錄全天光伏功率輸出和實驗室整體用電曲線如圖5所示。

圖4　主程序流程圖

圖5　全天電能信息曲線

5　結束語

針對分布式能源和儲能設備接入以及需求側管理給家庭采集計量設備帶來的難題，文中用STM嵌入式系統為主控制器設計了電能信息采集系統，具有結構簡單，工作方式靈活，成本低的優點。本系統在實驗測試中取得了良好效果，實現了用電負荷的全局在線監測，并且便于擴展，并能夠在線路異常情況下主動完成故障處理，提高了用電的安全性和電能管理的智能化水平。本系統為實現家庭用電的在線監測和智能控制提供了可靠的解決方案，在智能家居和智能樓宇等領域具有廣泛的應用價值。

［1］Weiliang Zhao，Lan Ding，Cooper P，et al.Smart home electricity management in the context of local power resources and smart grid［J］.Journal of Clean Energy Technologies，2014，2（1）:79-85.

［2］Zipperer A，Aloise-Young P A，Suryanarayanan S，et al.Electric energy management in the smart home:perspectives on enabling technologies and consumer behavior［J］.Proceedings of the IEEE，2013，101（11）:2397-2408.

［3］孫慧芳，莫淳棟.基于STM32智能家居系統的設計與實現［J］.電子設計工程，2014，22（19）:82-85.

［4］梁方英，何日陽，陳妙芳.基于RN8209防竊電電能表設計［J］.機電工程，2010，27（11）:106-109.

［5］竇慧晶，侯榮全，陳鳳菊.基于BOA和nRF24L01的智能家居系統［J］.國外電子測量技術，2015，34（2）:67-72.

［6］程華.基于ARM平臺Modbus協議智能樓宇控制系統的設計［D］.江西：江西農業大學，2013.

Real time data acquisition system for electric power consumption of the smart home

LIU Ying-shu，YANG Xu-hui
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Real time monitoring of the power consumption and optimized operation of the electric loads in the smart home enables the goal of energy conservation to be achieved.Then the ARM STM32 embedded system based real time data acquisition system is design in this paper.The presented system consists of the modules of power consumption data acquisition，wireless communication，LCD display，data storage，and fault alarm，which provides the functions of real time data acquisition on power consumption，display and query of historical data，as well as fault alarm.Experimental results show that the presented system facilitates elaborated managements of electric load operation，meeting the requirements of the smart home.

STM32；real time data acquisition；RN8209；smart home

TP368.1

A

1674-6236（2016）14-0122-04

2015-09-20稿件編號：201509137

劉迎澍（1971—），男，天津人，博士，副教授。研究方向：基于Web的信息與控制技術、嵌入式系統及應用、智能電網。