基于物聯(lián)網(wǎng)的智能三相電表設(shè)計(jì)

喬凌霄，劉澤禹，丁宇，樊澤，韓佳鑫

(山西能源學(xué)院電氣與控制工程系，山西晉中，030600)

0 前言

隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的現(xiàn)代化，越來(lái)越多的工業(yè)設(shè)備開(kāi)始與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合并迸發(fā)出巨大的市場(chǎng)和潛力。工業(yè)中大部分的交流用電設(shè)備（例如：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等）都采用三相交流電。為了得知三相電設(shè)備的工作情況，引入了電氣二次設(shè)備——三相電表。在我國(guó)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，三相電表從原來(lái)的機(jī)械式發(fā)展成了目前最廣泛使用的數(shù)字式。但隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)字電表已經(jīng)無(wú)法滿足企業(yè)對(duì)二次設(shè)備高效、快捷、無(wú)人值守的需求，因此，我們結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)據(jù)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款三相電表，它可以同時(shí)檢測(cè)三相交流設(shè)備中電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)角等40多項(xiàng)參數(shù)，也可以將檢測(cè)到的參數(shù)繪制成圖表，以便操作人員查看。同時(shí)，該設(shè)備還具有儲(chǔ)存功能，當(dāng)三相電設(shè)備斷電時(shí)，檢測(cè)裝置仍能保存三相電設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)。除此之外，該設(shè)備還能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，與操作人員進(jìn)行交互，操作人員可以通過(guò)手機(jī)等終端遠(yuǎn)程查看設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)，以便及時(shí)查看三相電設(shè)備的工作情況[1-3]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

圖1為物聯(lián)網(wǎng)的智能三相電表的系統(tǒng)框圖，利用ATT7022E三相電計(jì)量芯片及其外圍電路獲取三相電設(shè)備中A、B、C、(N)相的相關(guān)參數(shù)并保存在芯片寄存器中。用戶通過(guò)觸摸屏向主控芯片STM32F103RBT6發(fā)送不同的控制指令，STM32F103RBT6主控芯片讀取ATT7022E三相電計(jì)量芯片寄存器中的相應(yīng)數(shù)據(jù)后顯示在LCD顯示屏上，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器中以便用戶在移動(dòng)設(shè)備上操作智能電表。該系統(tǒng)包括三相電讀取模塊、核心控制模塊、觸摸顯示屏模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊及其外圍網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。三相電讀取模塊負(fù)責(zé)將高壓三相電模擬信號(hào)（Anolog-signal）轉(zhuǎn)換為低壓數(shù)字信號(hào)（Digital-signal），核心控制模塊負(fù)責(zé)多任務(wù)處理，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為用戶能讀取的信息并通過(guò)觸摸顯示屏模塊與用戶交互，物聯(lián)網(wǎng)模塊及其外圍網(wǎng)絡(luò)設(shè)施負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，通過(guò)打包為json消息，利用MQTT協(xié)議與公網(wǎng)服務(wù)器連接，方便遠(yuǎn)程控制[4]。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 三相電讀取模塊模塊設(shè)計(jì)

圖2為ATT7022E測(cè)量芯片及其外圍電路，本設(shè)計(jì)采用的ATT7022E三相電計(jì)量芯片，通過(guò)SPI總線與主控芯片進(jìn) 行數(shù)據(jù)通信，通過(guò)串聯(lián)一個(gè)小電阻在SPI信號(hào)線上，來(lái)減少干擾或抖動(dòng)。這個(gè)電阻與IC輸入端的寄生電容C相結(jié)合起來(lái)可組成一個(gè)Low-passfilter，可以消除SPI接口信號(hào)上的任何振蕩，本次用電阻為100Ω。通過(guò)在輸入端加一個(gè)外接電容（10pF左右），可以增加數(shù)字輸入端的內(nèi)部電容。圖3為電壓測(cè)量電路，該電路采用電壓互感器，并通過(guò)電阻降低成比例降低至芯片所能承受的電壓范圍，圖4為電流測(cè)量電路采用電流互感器將模擬信號(hào)發(fā)送至測(cè)量芯片。圖5為PCB設(shè)計(jì)圖，圖6為實(shí)物圖[5]。

圖2 ATT7022E測(cè)量芯片及其外圍電路

圖3 電壓測(cè)量電路

圖4 電流測(cè)量電路

圖5 PCB設(shè)計(jì)圖

圖6 測(cè)量模塊實(shí)物圖

2.2 核心控制模塊模塊設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用圖7所示的主控模塊STM32F103RBT6，該主控性能強(qiáng)大，功耗低，滿足三相電表的各項(xiàng)需求，通過(guò)SPI總線連接測(cè)量芯片，并讀取其寄存器中的數(shù)據(jù)。并且能利用I2C總線與圖8所示的AT24C02儲(chǔ)存器來(lái)存放測(cè)量的數(shù)據(jù)[6]。

圖7 STM32F103RBT6控制器

圖8 AT24C02儲(chǔ)存器

2.3 物聯(lián)網(wǎng)模塊及外圍網(wǎng)絡(luò)設(shè)施

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)部分，我們選用了當(dāng)今最為流行的ESP8266物聯(lián)網(wǎng)模塊，ESP8266是一種專用于嵌入式系統(tǒng)的無(wú)限高保真網(wǎng)絡(luò)模塊，通過(guò)串口與STM32F103RBT6主控芯片連接，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，可以與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的功能。本項(xiàng)目的使用的云服務(wù)器為中國(guó)移動(dòng)OneNET，OneNET是一個(gè)開(kāi)放并易于開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)。通過(guò)平臺(tái)將測(cè)量設(shè)備接入云端，通過(guò)開(kāi)發(fā)部署，能在線查重設(shè)備數(shù)據(jù)于在線狀態(tài)和異常狀況[7]。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)的軟件流程部分如圖9所示，程序在Keil5下開(kāi)發(fā)，通過(guò)模塊化分解，將一個(gè)大程序按照功能劃分為若干個(gè)小程序模塊程序，將具體的問(wèn)題抽象化，使得程序設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、直觀，這樣不僅使程序易于編寫而且擴(kuò)展性大大增強(qiáng)，將程序中經(jīng)常用到的一些功能編寫成通用函數(shù)，做到隨調(diào)隨用。極大的縮短了開(kāi)發(fā)周期。軟件部分采用了LittlevGL圖形框架，它是一個(gè)免費(fèi)的開(kāi)放源代碼圖形庫(kù)，它不僅提供創(chuàng)建嵌入式GUI所需的一切功能，還可以實(shí)現(xiàn)一定的多任務(wù)處理功能。

圖9 程序流程圖

4 結(jié)論與展望

目前占據(jù)市場(chǎng)的電路測(cè)量工具為普通電表，僅僅具有單個(gè)測(cè)量的功能，智能電表打破了普通電表測(cè)量的功能，具有十分超前的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。而當(dāng)今的企業(yè)不只局限于此，他們更追求智能化、簡(jiǎn)單化、低耗能、低消費(fèi)，而智能電表符合企業(yè)的需求，確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、簡(jiǎn)單化、低能耗，從而實(shí)現(xiàn)低消費(fèi)。由智能電表所能夠激發(fā)的產(chǎn)業(yè)鏈更是數(shù)不勝數(shù)，如三相電參數(shù)測(cè)量表。對(duì)于智能電的推廣和普及，我們應(yīng)該不斷努力來(lái)突破技術(shù)瓶頸和完善市場(chǎng)營(yíng)銷體系，讓智能電表更低價(jià)，更普及，更惠及廣大企業(yè)。圖10為產(chǎn)品運(yùn)行圖。

圖10 產(chǎn)品運(yùn)行圖