智能電能監(jiān)測與安全控制裝置的設(shè)計

宋政瑤 陳帥奇 吳茜

摘 要：隨著社會的進(jìn)步和人們生活水平的提高，人們對家庭生活的品質(zhì)和便捷度的追求也越來越高，隨之越來越多的家用電器出現(xiàn)在我們的生活中，給我們帶來居住的便捷、舒適、幸福快樂的同時，也帶來了用電安全的隱患。為此，設(shè)計了一種安全便捷的智能電能監(jiān)測與安全控制裝置。它在不破壞原有供電電路及用電器的基礎(chǔ)上，完成隨時查看家用電器的用電量、電費、用電時間等內(nèi)容，以及定時通斷、設(shè)備報警的操作，以期望既能隨時查看用電情況，又能保證用電安全并能夠節(jié)省社會能源。

關(guān)鍵詞：智能監(jiān)測;安全控制;電量計量;定時通斷;One Net平臺

中圖分類號：TM76 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.08.010

Abstract ： With the progress of society and the improvement of people's living standards， people's pursuit of the quality and convenience of family life is also getting higher and higher， with more and more household appliances appearing in our lives， bring us the convenience and comfort of living， happiness， but also bring the hidden danger of electricity security. Therefore， this paper designs and presents a safe and convenient intelligent electric energy monitoring and safety control device. On the basis of not destroying the original household circuits and appliances， it completes the operation of checking the electricity consumption， electricity charge， electricity consumption time of the household appliances at any time， as well as the operation of regular on-off and equipment alarm， it is expected to be able to check the power situation at any time， but also to ensure the safety of power consumption， more can save social energy.

Key words ： intelligent monitoring; safety control; electricity metering; regular on-off; One Net platform

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人們的生活越來越智能化和便利化，各類用電器成為了當(dāng)今技術(shù)領(lǐng)域和市場的熱點研究對象，以不斷改善人們的生活品質(zhì)，為人們提供一個舒適、便捷、安全的生活環(huán)境為目的創(chuàng)造智能產(chǎn)品，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的居住環(huán)境條件追求。

用電器不僅能夠提高人的幸福指數(shù)，還能夠為人們節(jié)省寶貴時間，但是用電器也帶來了安全隱患。為此提出并設(shè)計智能電能監(jiān)測與安全控制裝置，在不破壞原有供電電路及用電器的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)控制用電器的通斷，保證用電安全，在享受智能電器為用戶帶來方便的同時，也有效地緩解社會用電緊張的局面。

1 現(xiàn)狀分析

用電器工作時間過長、缺少漏電保護(hù)或負(fù)載過大，都可能會引起觸電甚至火災(zāi)等多種故障。據(jù)統(tǒng)計，火災(zāi)中由于用電不當(dāng)而引起的占57%，尤其對于獨居老人，隨著年齡的增長，記憶的衰退，很容易忽視用電安全問題。因此，安全檢測和控制就顯得尤為重要，要想推動智能家居的長遠(yuǎn)發(fā)展，安全檢測和控制不可或缺。

目前，國內(nèi)外電力測量方案大多采用“ADC+DSP+單片機(jī)"的設(shè)計方案。這種設(shè)計方案雖然可以提高計量的準(zhǔn)確度，可以根據(jù)特定的環(huán)境采用相應(yīng)的計量算法，但是此方案分立元器件較多，可靠性難以保證，并且開發(fā)成本較高，未實現(xiàn)智能化人機(jī)交互，僅適用于相關(guān)電參量的測量。

2 方案提出

本設(shè)計提出一種新的方案（即電能計量集成模塊+單片機(jī)+執(zhí)行控制裝置+無線通信模塊），電路結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，成本較低，通過無線通信模塊來實現(xiàn)人機(jī)交互功能。雖然集成式電能計量模塊的精度和性能及其內(nèi)部干擾會對系統(tǒng)產(chǎn)生限制，但對于家用電器的測量范圍，計量精度不必太高且計量系統(tǒng)不宜過大，經(jīng)過近年來集成電路技術(shù)的發(fā)展，集成式電能計量模塊的性能和功能也越來越強(qiáng)大，精度和性能有了大幅度提升。

3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信（Wi-Fi）模塊、集成式電量計量模塊、主控（單片機(jī)）模塊、實時時鐘、接口電路、繼電器、用電器構(gòu)成。采樣電路、溫度檢測單元、構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊，將采集到的電流、電壓、溫度等信號傳輸?shù)郊墒诫娏坑嬃磕K中進(jìn)行處理，獲得電量、功率等相關(guān)參數(shù)。單片機(jī)接收集成式電量計量模塊傳輸出的參數(shù)并與設(shè)定參數(shù)范圍進(jìn)行比較，若某一參數(shù)超出設(shè)定范圍，將實現(xiàn)警告操作，并通過與接口電路相連控制繼電器，進(jìn)而改變用電器工作狀態(tài);單片機(jī)通過LCD顯示屏將各項參數(shù)顯示;單片機(jī)通過串口將各項數(shù)據(jù)發(fā)送給ESP8266無線通信模塊，由ESP8266發(fā)送給OneNet云平臺，再由云平臺轉(zhuǎn)發(fā)給PDA最終端，此時用戶便可實時查看用電器用電情況，用戶若想要改變用電器工作狀態(tài)，則用PDA最終端發(fā)出控制指令，通過OneNet云平臺按照原路返回傳輸命令完成各項操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.1 硬件設(shè)計

（1）采樣電路。采樣電路分為兩部分，一部分實現(xiàn)對電壓的采樣，另一部分實現(xiàn)對電流的采樣。

利用電阻分壓電路對電壓進(jìn)行采樣，圖2中R8～R11為分壓電阻，通過分壓電路將220 V電壓變換為芯片可處理的低電壓。

由于溫度對錳銅的阻值影響很小，因此選用錳銅采樣電阻進(jìn)行電流采樣。采用完全差分輸入方式，錳銅電阻兩端通過R3、R5連接到芯片。圖3中R3、R4和電容C2、C3構(gòu)成阻容濾波電路，濾除高頻成分。

（2）集成式電量計量模塊。集成式電量計量模塊中選用CSE7766集成式電能計量芯片，CSE7766是一款免校準(zhǔn)的電能計量芯片，它具有極高的精度且在出場時就已經(jīng)完成校準(zhǔn)，無需任何設(shè)置便可直接讀取電量相關(guān)參數(shù)。本設(shè)計中電流信號通過錳銅電阻采樣后接入CSE7766，電壓信號則通過分壓電路后輸入到CSE7766。CSE7766同時接收電壓電流信號進(jìn)行處理并傳輸給單片機(jī)。原理圖如圖4所示。

（3）溫度檢測單元。溫度檢測單元中采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器檢測用電器的實時溫度，該傳感器溫度檢測范圍為-55～+125 ℃，在溫度范圍超過-10～+85 ℃之外時還具有±0.5 ℃的精度。DS18B20數(shù)字溫度傳感器轉(zhuǎn)化時間短，可達(dá)750 ms。該單元還設(shè)有過溫和低溫觸發(fā)報警的功能。原理圖如圖5所示。

PNP三極管集電極接地，發(fā)射極接入+5 V電壓源，基極通過電阻接入單片機(jī)P1.3端口和P1.4端口。當(dāng)DS18B20數(shù)字溫度傳感器檢測到的溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，單片機(jī)P1.3、P1.4端口為高電平，電路不導(dǎo)通，則指示燈不亮。若檢測到溫度超出設(shè)定范圍，高溫指示燈點亮;若檢測到的溫度低于設(shè)定范圍，低溫指示燈點亮。

（4）實時時鐘。實時時鐘采用DS3232M來實現(xiàn)對用電器工通電計時功能，DS3232M是低成本、超高精度實時時鐘，帶有236字節(jié)電池備份SRAM。該器件集成了一個電池輸入，當(dāng)設(shè)備的主電源中斷時可以保持精確的計時且能夠檢測電源故障，提出復(fù)位輸出，并在必要時自動切換到備用電源。

（5）主控（單片機(jī)）模塊。主控模塊選用了AT89C51單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對各個模塊的控制。它是一款高性能CMOS型8位微控制器，具有高效、低功率和使用壽命長等特點。

（6）顯示模塊。顯示模塊采用LCD1602液晶顯示屏，完成對溫度、電量、功率等信息的顯示。該顯示屏具有顯示質(zhì)量高、體積小、重量輕、功耗低的優(yōu)點，并且具有數(shù)字式接口，與單片機(jī)系統(tǒng)接口更加簡單可靠，操作更加方便。

（7）無線通信模塊。無線通信模塊采用ALIENTEK推出的高性能URAT—WiFi（串口—無線）模塊ESP8266來連接單片機(jī)與PDA最終端，保證用戶與用電器之間信息互換的順利進(jìn)行。ESP8266使用了3.3 V的直流電源，具有體積小、功耗低、支持透明傳輸、丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重、價格較低等優(yōu)點。內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，便能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換。ESP8266對單片機(jī)的要求較低，只需進(jìn)行簡單的串口配置就能夠通過WiFi完成數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 OneNet 云平臺

OneNet云平臺是中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)特點打造的開放平臺和生態(tài)環(huán)境，適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數(shù)據(jù)服務(wù)，提供豐富的API和應(yīng)用模板以支持各類行業(yè)應(yīng)用和智能硬件的開發(fā)，能夠有效降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)和部署成本，滿足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)安全、大數(shù)據(jù)分析等平臺級服務(wù)需求。

本設(shè)計采用EDP協(xié)議接入，通過OneNet云平臺來實現(xiàn)手機(jī)與用電器點對點通信，完成用戶與用電器之間信息交互功能。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)控制器為核心，初始化之后除了要將各模塊采集的信息進(jìn)行儲存、顯示、分析控制以外，還要通過ESP8266無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和OneNet云平臺實現(xiàn)信息交互功能，完成各項指令以滿足用戶需求。

5 測驗

在實驗室條件下，令一用電器連續(xù)工作12 h，下表中每間隔1 h記錄一次電壓、電流、用電量、溫度的數(shù)值。

從圖7中可以看出，用電量與時間之間呈線性關(guān)系，說明系統(tǒng)可以長時間穩(wěn)定運行。

通過觀察可以發(fā)現(xiàn)表中電壓測量值始終存在波動，但是實際電壓值應(yīng)為220 V，通過分析，主要有兩個因素可能會對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾：

（1）大功率負(fù)載本身具有不穩(wěn)定性，在一定范圍內(nèi)波動，造成的測量誤差。

（2）溫度變化導(dǎo)致電路中的阻值變化，從而影響測量結(jié)果。

6 總結(jié)

本設(shè)計從安全用電以及節(jié)約能源的角度出發(fā)，以為人們在便捷生活基礎(chǔ)上提供安全保障和能源節(jié)約保障為目的，設(shè)計出一種安全便捷的智能電能監(jiān)測與安全控制裝置。該裝置不僅使用方便、操作簡單、智能、可靠性高，而且各個模塊之間易于組合實現(xiàn)，能夠增強(qiáng)整體系統(tǒng)上的安全性和穩(wěn)定性，但是仍然存在一些不足，需要通過應(yīng)用于不同的實際環(huán)境來進(jìn)一步完善和設(shè)計細(xì)節(jié)，這將是下一步的重點。

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