家用線路用電安全實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

摘 要：用電安全關(guān)系到家家戶戶的人身財(cái)產(chǎn)安全，家用線路的老化、超負(fù)荷工作均可能導(dǎo)致火災(zāi)的產(chǎn)生，實(shí)時(shí)監(jiān)測線路的用電情況，防患于未然是必要的。本設(shè)計(jì)利用交流多功能通訊模塊、WIFI模塊和LPC2138設(shè)計(jì)了家用線路的用電安全監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)終端上對線路上的電流、電壓、功率以及電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過串口，LPC2183連接了交流多功能通訊模塊和WIFI模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，將交流多功能通訊模塊采集到數(shù)據(jù)通過WIFI模塊發(fā)送到手機(jī)終端上顯示，同時(shí)也接收手機(jī)終端下發(fā)的指令。

關(guān)鍵詞：用電安全；監(jiān)測；LPC2138；WIFI；串口通訊；電量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.126

0 引言

隨著當(dāng)今社會(huì)信息快速發(fā)展，科技發(fā)展日新月異，安全檢測為當(dāng)前的生活創(chuàng)造了巨大的便利，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如：智能交通監(jiān)控、銀行安保系統(tǒng)、航天航空、小區(qū)安防等，具有較大的研究價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。當(dāng)前各種各樣的家用電器，隨著科技的發(fā)展走進(jìn)了千家萬戶，我國的家庭用電量也在逐年的增加。由于許多家用線路存在著老化，超負(fù)荷的工作狀態(tài)，用電安全事故時(shí)有發(fā)生，特別是夏天用電高峰期，給人民的財(cái)產(chǎn)和人身安全造成了嚴(yán)重的損失。本文針對家用線路存在的安全隱患，設(shè)計(jì)了基于wifi的用電安全實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，通過手機(jī)可以時(shí)刻查詢當(dāng)前家庭線路的工作情況。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。主控芯片采用LPC2138，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的管理與控制。主控芯片和手機(jī)端的通訊是通過WIFI模塊來實(shí)現(xiàn)；與交流多功能通訊模塊通過RS232串口來實(shí)現(xiàn)指令的下發(fā)和數(shù)據(jù)的采集。主控芯片接收手機(jī)發(fā)送過來的WIFI信號(hào)，識(shí)別相應(yīng)的指令；然后發(fā)送相應(yīng)指令給交流多功能通訊模塊，獲取相應(yīng)的電壓、電流、功率或電量。交流多功能模塊接收到主控芯片下發(fā)的指令信號(hào)，采集家用用電線路的相應(yīng)信息，然后通過串口RS232發(fā)送給主控芯片。主控芯片接到信號(hào)后，再將采集到的信號(hào)經(jīng)過處理后通過WIFI模塊發(fā)送給手機(jī)端。手機(jī)端接收到信號(hào)后在，于手機(jī)的APP上顯示[4-6]。

1.1 交流多功能通訊模塊工作原理

系統(tǒng)對家用線路的信號(hào)的采集是通過交流多功能通訊模塊來實(shí)現(xiàn)的。如圖2所示，交流多功能通訊模塊能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)前電流、電壓、電功率和電量的采集。通訊模塊有四個(gè)輸入端口，L和N作為連接家用電路的火線和零線，另外兩個(gè)端子連接CT線圈。測量信號(hào)通過CT獲取，傳輸給PZEM-004T測量模塊進(jìn)行處理，再通過串口RS232傳輸給STM32。STM32通過向交流多功能模塊下發(fā)相應(yīng)的命令，獲取電流、電壓、電功率或電量。圖中左邊下方的輸出端口是TTL電平接口，與LPC2138的串口相連。端口由上到下分別為VCC，RXD，TXD，GND。VCC接+5V，GND接地，RXD接PLC2138的USART1中TXD1，TXD接PLC2138的USART1中RXD1用于串口通信。交流多功能通訊模塊的傳輸波特率固定為9600bp/s，按照規(guī)定的內(nèi)容和特定的方式進(jìn)行通訊。通訊時(shí)，PLC2138發(fā)送給模塊一串特定的十六進(jìn)制數(shù)指令；模塊識(shí)別后做出回應(yīng)，并返回一串十六進(jìn)制數(shù)；PLC2138根據(jù)通信規(guī)定解讀返回的內(nèi)容，得到想要的數(shù)據(jù)。該模塊具有保存掉電前累計(jì)的電量的數(shù)據(jù)，也可通過按鍵清零電量[7-9]。

1.2 主控芯片電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主控芯片采用了LPC2138，充分運(yùn)用了芯片的USART0和USART1進(jìn)行通訊。如圖3（a）所示，USART0的TXD0端口對應(yīng)著芯片的19引腳，RXD0端口對應(yīng)著芯片的21引腳。USART0是與WIFI模塊進(jìn)行連接通訊，TXD0端口連接WIFI模塊的RXD_TTL，RXD0端口連接WIFI模塊的TXD_TTL。芯片的引腳33和引腳34分別對應(yīng)USART1的TXD0端口和RXD0端口。如圖3（b）所示，WIFI模塊采用ESP8266芯片，引腳7和引腳8分別對用RXD_TTL端口和TXD_TTL端口，并用5.6K的電阻作為上拉電阻，用二極管MBR0520使信號(hào)傳輸具有單向傳輸性。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

如圖4所示，系統(tǒng)的主程序流程前期工作主要包括相關(guān)變量的初始化，設(shè)置中斷的優(yōu)先級(jí)，啟動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)鐘，然后再分別對串口和WIFI模塊進(jìn)行初始化。程序的運(yùn)行主要是通過判斷用戶發(fā)送的查詢命令，LPC2138向交流多功能通訊模塊發(fā)下發(fā)命令，當(dāng)下發(fā)命令B0 C0 A8 01 01 00 1A，則是查詢電壓；當(dāng)下發(fā)命令B0 C0 A8 01 01 00 1A，則是查詢電流；當(dāng)下發(fā)命令B0 C0 A8 01 01 00 1A，則是查詢功率；當(dāng)下發(fā)命令B0 C0 A8 01 01 00 1A，則是查詢電量；交流多功能通訊模根據(jù)接受到的命令，按照通訊規(guī)定的內(nèi)容發(fā)送相應(yīng)的指令；LPC2138根據(jù)回復(fù)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析，經(jīng)過處理后發(fā)送到手機(jī)終端上顯示。

在本設(shè)計(jì)中串口通信是本設(shè)計(jì)的核心，是連接整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸４诘某跏蓟ù跁r(shí)鐘是能，IO引腳模式的設(shè)置，串口參數(shù)的初始化，開始中斷。USART0在串口參數(shù)的配置時(shí)，波特率都配置為9600；由于USART1連接的是WIFI模塊，WIFI模塊的串口頻率是115200，即USART1的波特率都配置為115200。其他的串口參數(shù)設(shè)置都一樣，字長配置為8位；停止位為1；無奇偶校驗(yàn)位；無硬件數(shù)據(jù)流控制；模式配置為收發(fā)模式。

手機(jī)終端與WIFI模塊之間的通訊時(shí)通過AT指令來實(shí)現(xiàn)的。WIFI模塊的代碼由初始化WIFI模塊和操作WIFI模塊這兩部分組成。初始化WIFI模塊時(shí)，選用AP模式，以WIFI模塊作為熱點(diǎn)，而手機(jī)連接熱點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。初始化的流程主要有，檢查WIFI模塊是否連接成功，選擇AP模式，重啟模塊配置AP參數(shù)（端口號(hào)、對外的SSID號(hào)、加密方式、密碼以及連接模式），選擇連接模式并開啟Server模式設(shè)置端口號(hào)。操作WIFI模塊，主要操作有：對接收命令進(jìn)行判斷，發(fā)送交流多功能通訊模塊能夠識(shí)別的命令，并接收返回的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，最后發(fā)送到手機(jī)終端。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測試

本系統(tǒng)測試實(shí)用2000W的吹風(fēng)筒作為負(fù)載，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

在手機(jī)終端上安裝網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，采用TCP的傳輸模式，即應(yīng)答方式，只有在接收到命令的時(shí)候才返回?cái)?shù)據(jù)[10-11]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以WIFI模塊作為服務(wù)器端，手機(jī)終端作為客戶端，在連接好WIFI之后，打開網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，選擇圖5中①的tcp client菜單，再點(diǎn)擊圖5中②區(qū)域的“增加”，就會(huì)彈出圖中的消息框，輸入要鏈接的WIFI模塊的IP地址和端口號(hào)，設(shè)置好后點(diǎn)擊消息框上的增加按鈕，成功后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。圖5中③是進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的輸入窗口，圖5中④是進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的接收窗口。在實(shí)驗(yàn)的過程中，WIFI模塊初始化沒成功或沒完成都可能導(dǎo)致連接不成功，需要等待一段時(shí)間或復(fù)位LPC2138。

如圖6所示，圖6中的（a）-（d）是分別是對電壓，電流，功率，電量進(jìn)行查詢返回的結(jié)果。在數(shù)據(jù)發(fā)送的輸入窗口中輸入電壓，電流，功率或電量，就可以查詢家用線路中當(dāng)前電路工作的相應(yīng)信息。由于每個(gè)時(shí)刻家用線路的工作狀態(tài)是不一樣的，所以在手機(jī)終端上采集到的電壓，電流或功率數(shù)據(jù)信息在不同的時(shí)刻可能不同，電量在不清零的狀態(tài)下一直處于累加狀態(tài)。根據(jù)功率公式P=UI可計(jì)算出，測量結(jié)果存在一定的誤差，但誤差在允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)工作正常，采集的數(shù)據(jù)也正確。

如下圖所示：

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇同一個(gè)吹風(fēng)筒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因?yàn)闀r(shí)間段不一樣，所以測出的電壓不同，導(dǎo)致功率與電流也不一樣，根據(jù)P=UI可計(jì)算出，在誤差允許范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)采集基本正確，系統(tǒng)工作基本正常。

在實(shí)驗(yàn)的過程中，因?yàn)殡娏渴堑綦姴磺辶愕模运闹凳且恢崩奂拥摹Ｈ粝肭辶悖杀仨毻ㄟ^長按模塊上的按鍵，以達(dá)到電量清零的目的。

（下轉(zhuǎn)第141頁）

（上接第148頁）

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基金項(xiàng)目：韓山師范學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目（HJG1620）

作者簡介：林科業(yè)（1985-），男，廣東汕頭人，碩士研究生，工程師，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：智能儀器與應(yīng)用，主要從事本科教學(xué)工作。