基于微控制器的節(jié)能智能電能表的設(shè)計(jì)

姚續(xù)男

（中煤科工集團(tuán)上海有限公司，上海 200030）

0 引言

近年來，電力對人類的生存和進(jìn)步變得越來越重要，自動(dòng)化能源分配也成為提高人們生活水平的必要條件。而手動(dòng)抄表效率不高，需要大量人力和物力，因此對智能電子儀表系統(tǒng)的需求不斷增加，無需任何人工干預(yù)即可將抄表結(jié)果發(fā)送給消費(fèi)者和分銷商[1]。

智能電表出現(xiàn)之前，分銷商會(huì)根據(jù)使用的電力數(shù)量在計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中制定定價(jià)規(guī)則，但消費(fèi)者不知道其電量使用情況。考慮到這一點(diǎn)，智能電表將有助于消費(fèi)者了解消耗的電量和需要支付的金額。如果使用的電量超出正常范圍，消費(fèi)者可以控制電子設(shè)備的運(yùn)行并降低功耗，而功耗成本將通過讀取電表產(chǎn)生的脈沖來計(jì)算[2]。然后將計(jì)算出的單月金額發(fā)送給消費(fèi)者和分銷商，并且在液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)上顯示消費(fèi)者的日消耗量。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，電子式電能表或機(jī)電式電能表在固定測量使用量的前提下，能夠記錄電量，然后由抄表員每月讀取。記錄數(shù)據(jù)的成本將根據(jù)當(dāng)前的費(fèi)率產(chǎn)生，而在智能電子表中，不需要抄表，消費(fèi)者和分銷商都將收到信息，其中包括他們的功耗和時(shí)間成本的詳細(xì)信息[3-4]。由于消費(fèi)者已經(jīng)對其電力使用情況和消耗的電力成本有了先驗(yàn)知識(shí)，因此可以減少電力消耗并節(jié)省電能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有系統(tǒng)中，每個(gè)用電點(diǎn)都會(huì)安裝機(jī)械式或電子式電能表，記錄用電者消耗的電量[5-6]。每個(gè)月末，抄表員都要走訪每一位消費(fèi)者，并開具賬單，因此需要大量的人力。在現(xiàn)有的系統(tǒng)中，沒有任何機(jī)制提醒消費(fèi)者他們每天消耗了多少電量，以便他們可以規(guī)劃和有效利用電器并減少電費(fèi)支出。只有在月底，消費(fèi)者才會(huì)知道電費(fèi)單。

在微控制器使能的智能電能表系統(tǒng)中，還將連接機(jī)械或電子電能表光耦合器、Arduino UNO微控制器[7]、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(real time clock，RTC)、LCD、WiFi模塊和GSM模塊。該智能電能表不僅會(huì)記錄消費(fèi)者消耗的電量，還會(huì)定期通過GSM向消費(fèi)者發(fā)送有關(guān)消耗電量和消耗電量成本的短信服務(wù)。因此，聰明的消費(fèi)者可以利用短信服務(wù)規(guī)劃用電量，并通過正確途徑使用電器來降低耗電量。此外，由于連接了WiFi模塊，每個(gè)月末生成的賬單可以發(fā)送給分銷商，也可以發(fā)送一份副本給消費(fèi)者，這樣就可以避免因讀取電表生成賬單所需的人力。

2 智能電能表的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框圖

智能電能表系統(tǒng)框圖如圖1所示，由電子電能表、光耦合器、Arduino UNO微控制器、RTC、LCD、WiFi模塊、GSM模塊和PC機(jī)組成，并且各個(gè)模塊的功能如表1所示。

圖1 智能電能表框圖

表1 各個(gè)模塊功能描述

2.2 測量設(shè)計(jì)

每消耗1單位(1kWh)電能，電能表中的校準(zhǔn)LED將閃爍3200次，并通過光耦合器轉(zhuǎn)換為3200個(gè)脈沖。Arduino UNO將對這些脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并根據(jù)當(dāng)前電價(jià)計(jì)算電力成本。RTC將定期啟動(dòng)更新，向消費(fèi)者和分銷商發(fā)送詳細(xì)的功耗和成本信息。

2.3 測量方法

智能電能表的實(shí)現(xiàn)方法如圖2所示，Arduino UNO微控制器將讀取電能表中根據(jù)用電設(shè)備功耗產(chǎn)生的脈沖。微控制器將計(jì)算用戶消耗的功率以及一天消耗的功率成本。在一天結(jié)束時(shí)，微控制器將通過GSM模塊向消費(fèi)者發(fā)送有關(guān)耗電量和電力成本的信息[8]。在月底，有關(guān)消耗電量和耗電成本的信息將發(fā)送給消費(fèi)者和分銷商。

圖2 智能電能表的實(shí)現(xiàn)方法

2.4 功能流程圖

智能電能表的功能流程圖如圖3所示。Arduino UNO微控制器對來自電能表的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過遞增計(jì)數(shù)器計(jì)算耗電元件消耗的功率，耗電量和耗電成本將顯示在LCD上。大約在一天結(jié)束時(shí)，從RTC接收到信號后，將向消費(fèi)者發(fā)送一條關(guān)于耗電量和電力成本的消息。在RTC發(fā)送月底信息后，將向消費(fèi)者和分銷商發(fā)送有關(guān)耗電量和電力成本的消息。

圖3 智能電能表流程圖

3 結(jié)語

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

耗電量和功耗在LCD上的顯示如圖4所示。

圖4 LCD 展示的功耗和耗電量

3.2 結(jié)論

在智能電能表的成功設(shè)計(jì)下，每月通過GSM模塊和WiFi模塊分別向消費(fèi)者和分銷商發(fā)送耗電量和成本信息，它還會(huì)定期向消費(fèi)者發(fā)送關(guān)于耗電量和耗電量成本的訊息提示。計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的自動(dòng)化消除了人工干預(yù)，使得智能電能表更加可靠。智能電能表將帶來潛在的解決方案，抵制不必要的電力消耗意識(shí)，并有助于減少電力的消費(fèi)。

3.3 未來范圍

智能電能表還可以通過考慮物聯(lián)網(wǎng)來進(jìn)一步完善其系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得數(shù)據(jù)庫可以長期維護(hù)。此外，電能表可以成為一個(gè)預(yù)付的電能表，這樣當(dāng)有逾期的賬單時(shí)，電力可以被切斷。也可以開發(fā)一個(gè)移動(dòng)應(yīng)用程序，這樣消費(fèi)者可以通過應(yīng)用程序聯(lián)系分銷商，在一些罕見的情況下需要任何額外的電力分配，或者可以向分銷商投訴他所面臨的任何問題。