基于阿里云的家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)設計*

何 勉

(陜西理工大學 電氣工程學院，陜西 漢中 723000)

0 引言

隨著人們安全意識的增強，對家庭安全用電有了更高的要求。在傳統(tǒng)的用電過程中，用戶無法實時查看電力數(shù)據(jù)，導致出現(xiàn)電壓異常或過電流等安全隱患時不能及時處理，造成用電安全事故。隨著科學技術的發(fā)展，嵌入式技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和云技術已逐步應用到家庭用電領域[1-5]，使得遠程監(jiān)控用電情況成為可能。

本文設計的基于阿里云的家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)，采用電能計量模塊采集電力數(shù)據(jù)[6-8]，用戶可在本地通過觸摸屏查看相關數(shù)據(jù)和控制家庭電源開關，當線路出現(xiàn)低電壓或過電流時，系統(tǒng)采取速斷保護并報警。采用Wi-Fi模塊將系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，運用阿里云技術將電力數(shù)據(jù)采集上云，并通過云平臺提供的設備管理和運維能力實現(xiàn)家庭用電的遠程監(jiān)控，安全穩(wěn)定，維護方便。

1 基于阿里云的家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

基于阿里云的家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)由家庭電能采集端和遠程監(jiān)控端兩部分組成，其結構框圖如圖1所示。

圖1 基于阿里云的家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖

家庭電能采集端由STM32控制器、電能計量模塊、Wi-Fi模塊、繼電器模塊、觸摸屏和報警模塊等部分組成，負責采集電力數(shù)據(jù)并通過Wi-Fi傳輸?shù)桨⒗镌破脚_，同時執(zhí)行阿里云平臺發(fā)來的電源控制命令。

遠程監(jiān)控端由阿里云平臺、手機APP和WEB頁面組成。阿里云平臺提供安全可靠的設備連接通信功能，支持設備數(shù)據(jù)采集上云和云端數(shù)據(jù)下發(fā)到設備端，同時還提供了IOT studio開發(fā)手機APP和WEB頁面，用戶通過手機APP或WEB頁面就可以實現(xiàn)家庭用電情況的遠程監(jiān)測和實時控制功能。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控制器

主控制器選用STM32F103C8T6單片機，該單片機的外圍電路包括電源電路、復位電路、晶振電路和RS232串口電路等。STM32F103C8T6單片機的工作頻率高達72 MHz，內置20 kB的SRAM、64 kB的FLASH，擁有36個通用IO口、5路串口，具有高性能、低功耗的優(yōu)點，能夠滿足系統(tǒng)需要。

2.2 Wi-Fi模塊

主控制器接入互聯(lián)網(wǎng)采用Wi-Fi方案，Wi-Fi模塊選用上海慶科信息技術有限公司開發(fā)的EMW3080模塊，該模塊高度集成ARM CM4F，最高主頻133 MHz，內置256 kB的SRAM、2 MB的FLASH，外設接口資源豐富，能夠滿足大部分的應用需求。

EMW3080模塊采用3.3 V單電源供電，與主控制器采用串口通信方式，模塊的WIFI_TXD和WIFI_RXD引腳分別連接STM32F103C8T6單片機USART2的PA_3、PA_2，WIFI_RST連接PA_4。Wi-Fi模塊與STM32的通信接口電路如圖2所示。

圖2 Wi-Fi模塊與STM32的通信接口電路

2.3 電能計量模塊

電能計量模塊采用CS5463模塊。CS5463是一個包含兩個ΔΣ模-數(shù)轉換器、功率計算功能、電能到頻率轉換器和一個串行接口的完整的功率測量芯片，可以精確測量瞬時電壓、電流和計算IRMS、VRMS、瞬時功率、有功功率和無功功率等，具有與微控制器通信的雙向串口和片上系統(tǒng)校準功能，具有溫度傳感器、電壓下降檢測和相位補償功能。

本系統(tǒng)使用的CS5463模塊采用ZMCT118A型電流互感器測量電流，采用ZMPT101B型電壓互感器測量電壓，這兩種互感器體積小、精度高，適用于電力測量和保護。CS5463模塊與STM32的連接電路如圖3所示。

圖3 CS5463模塊與STM32的連接電路

2.4 繼電器模塊

本系統(tǒng)選用30 A雙路光耦隔離繼電器模塊，總電流可達60 A，可以滿足系統(tǒng)要求。繼電器控制家庭電源的總開關，一般情況下處于接通電源狀態(tài)，只有當系統(tǒng)檢測到低電壓或過電流時主控制器才控制繼電器切斷總電源。STM32F103C8T6單片機的PA7口通過光電耦合器接入繼電器的工作電路，解決了電壓匹配和弱強電隔離的問題。

2.5 顯示模塊

電能采集端通過觸摸屏實時顯示電力數(shù)據(jù)和手動控制電源開關，觸摸屏選用深圳市淘晶馳電子科技有限公司生產(chǎn)的3.2寸串口智能屏，該屏通過串口與主控制器交互指令，其串口引腳RXD、TXD分別連接STM32F103C8T6單片機UART4的PC10(TXD)、PC11(RXD)。觸摸屏人機界面的制作由上位機軟件完成。

2.6 報警模塊

報警模塊選擇有源蜂鳴器，使用三極管開關電路來驅動，STM32F103C8T6單片機的PA8口控制PNP型三極管的基極，當系統(tǒng)采集到的電壓值和電流值達到預設值時，單片機控制PA8口輸出高電平，三極管導通，蜂鳴器給出報警提示。

2.7 保護部分設計

通過判斷電壓和電流的測量值是否達到預設值，從而判定是否低電壓或者過電流，進而實行速斷保護。低電壓保護的整定值設置為國家電網(wǎng)220 V單相供電的標準下限值，即220(1-10%)=198 V。過電流保護的整定值是在統(tǒng)計家庭用電功率及同時率后計算出同時在線電器的工作功率和電流，再留出一定裕度作為整定值，本系統(tǒng)過電流保護整定值設置為40 A。當啟動速斷保護后，在3 s后進行自動重合閘，如果重合閘不成功則判定為系統(tǒng)故障，程序鎖死，觸摸屏手動開關和遠程控制端均無法控制電源通斷。

3 接入阿里云平臺及系統(tǒng)軟件設計

3.1 接入阿里云平臺

本系統(tǒng)接入阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺。生活物聯(lián)網(wǎng)平臺是阿里云IOT提供的一款針對生活領域的物聯(lián)網(wǎng)平臺，提供了設備接入能力、移動端的SDK及公版APP，能夠快速解決家電設備智能化的問題。

登錄阿里云網(wǎng)站，注冊阿里云賬號并完成實名認證，開通生活物聯(lián)網(wǎng)平臺服務。登錄生活物聯(lián)網(wǎng)平臺的控制臺，選擇工作站點為“中國站”，然后創(chuàng)建項目“家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)”，在項目下創(chuàng)建新產(chǎn)品，選擇相近品類“電工照明/插座”，選擇節(jié)點類型為“設備”，聯(lián)網(wǎng)方式為“WiFi”，數(shù)據(jù)格式為“Alink JSON”。最后根據(jù)系統(tǒng)的需要定義產(chǎn)品功能，功能定義如表1所示。

表1 產(chǎn)品功能定義

定義了產(chǎn)品功能后，進入設備調試，選擇認證模組EMW3080，并生成設備三元組，分別是Product Key(產(chǎn)品密鑰)、Device Name(設備名稱)、Device Secret(設備密鑰)。在人機交互頁面下載公版云智能APP并配置APP功能，選擇自定義的面板，配置APP的多語言管理方式和設備配網(wǎng)引導頁面，生成設備配網(wǎng)二維碼。配置設備“過電流告警”和“低電壓告警”，當告警規(guī)則觸發(fā)后手機將發(fā)出震動或聲音提醒。最后在批量投產(chǎn)頁面進行產(chǎn)品發(fā)布。

3.2 電能采集端軟件設計

3.2.1 燒錄AT固件

AT固件是運行于Wi-Fi無線模塊上的軟件指令系統(tǒng)，通過該指令可以快速地為嵌入式設備增加無線通信功能，縮短開發(fā)周期。本系統(tǒng)需要使用專用下載軟件給EMW3080模組燒錄直連阿里云平臺的AT固件，借助主控MCU，通過UART串口與模組通信的方式，系統(tǒng)就可以配置入網(wǎng)、接入阿里云，實現(xiàn)設備與阿里云平臺的無線通信功能。

3.2.2 程序設計

系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，包括初始化系統(tǒng)時鐘、串口、CS5463模塊、Wi-Fi模塊等。然后檢測設備綁定按鍵是否按下，當開機按下綁定鍵表示第一次連接Wi-Fi，需要進行手機APP配置入網(wǎng)，主控制器與Wi-Fi模塊進行串口通信，通過發(fā)送AT指令綁定設備信息、設置服務器站點、開啟云服務、配網(wǎng)等，綁定鍵未按下則按照上次的配置信息直接入網(wǎng)連接阿里云。主控制器通過軟件模擬SPI總線與CS5463傳感器進行通信，獲取當前電壓、當前電流、有功功率、功率因數(shù)、溫度等，并設置定時器每5 s將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺，同時在觸摸屏上顯示數(shù)據(jù)。當獲取的電壓或電流值達到預設值時，啟動速斷保護，3 s后重合閘，如果成功則恢復供電，否則程序結束，觸摸屏手動開關和遠程控制端均無法控制電源通斷。當主控制器從串口接收到Wi-Fi模塊發(fā)來的云平臺控制命令后，系統(tǒng)執(zhí)行電源開關控制，并向云平臺發(fā)送當前電源的開關狀態(tài)。系統(tǒng)軟件程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件程序流程

4 測試結果

在智能手機上安裝阿里云提供的公版云智能APP，打開APP，進入“登錄”界面，注冊賬號后進行登錄，然后在主頁使用APP掃描設備配網(wǎng)二維碼，在“連接Wi-Fi”頁面輸入Wi-Fi賬號和密碼，這時按下設備綁定按鍵打開設備電源，手機APP將根據(jù)Wi-Fi信息搜索并連接設備。連接成功后，手機頁面出現(xiàn)新設備“家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)”，點擊進入用電監(jiān)控界面，采集的電力數(shù)據(jù)已經(jīng)顯示在手機APP上了，數(shù)據(jù)每5 s更新一次，如圖5所示。

圖5 手機APP監(jiān)控頁面 圖6 WEB監(jiān)控頁面

在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的IoT Studio下可以進行WEB可視化開發(fā)，建立項目、綁定產(chǎn)品和設備后，在編輯器中拖拽組件到畫布上，配置組件的顯示樣式、數(shù)據(jù)源及交互動作，就可以設計出WEB頁面，WEB監(jiān)控頁面如圖6所示。

5 結語

本文結合阿里云技術設計了家庭用電監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用CS5463模塊實時采集家庭電力數(shù)據(jù)，通過Wi-Fi模塊傳輸?shù)桨⒗镌破脚_，用戶只需要使用手機APP或WEB頁面就可以完成對家庭用電情況的監(jiān)測，并可以遠程控制電源的開啟和關閉，同時具有低電壓和過電流保護功能。經(jīng)測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)準確，能夠實現(xiàn)家庭用電的遠程監(jiān)控功能。