高校綜合能效解決方案在宿舍用電監控系統中的應用

1 系統整體設計

宿舍用電智能監控系統總體框圖。

系統整體設計分為主機和從機兩部分,主要由數據采集電路、處理電路、傳輸電路組成.數據采集電路基于BL0937設計,BL0937的VP引腳接入線路中采集電壓信號,BL0937的IP和IN引腳則采集電流信號,由耦合隔離電路傳入從機的脈沖信號捕獲通道,捕獲到的脈沖信號的頻率經過公式計算出功率，再經LoRa無線通信模塊使數據傳輸到主機,主機根據計算出的功率，發出相應的控制命令,管理宿舍用電，并將數據封裝處理后由4G無線通信模塊上傳到網絡云端。

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2 系統硬件設計

宿舍用電智能監控系統硬件電路結構主要包括電源轉換電路、STM32主控制器、BL0937 采集電路和LoRa無線通信電路、4G無線通信電路。

2.1 電源轉換電路

為得到12V的直流電源為系統供電,采用AC-DC的降壓模塊對220V的交流電源進行轉換。隨后使用B1205-2W的隔離型電源器件,將12V的直流電源進一步轉換為所需要使用5V的直流電，使用隔離型電源器件B1205-2W的好處在于保護STM32主控芯片,以及一些其他的外部電路,確保使用的安全性以及設計的可行性。*后使用低壓線性穩壓芯片AMS1117-3.3，AMS1117輸入電壓*高可達12V,輸出電壓可以為1.8、1.9、2.5、3.3和5V,輸出電流*高可達1A，且片內集成過熱保護和過流保護模塊，保證芯片和系統的安全，5 V的直流電源轉化成可以為STM32主控芯片直接供電的3.3V電源。電源轉換電路圖見圖2。

2.2 STM32主控制器

采集電路采用的是一款電能計量芯片BL0937,集成了參考電壓模塊、電源管理模塊和計算功率、電流、電壓的有效值等數字電路,可以輸出電流和電壓有效值脈沖信號。BL0937有兩種輸出模式,一種是輸出電流、電壓的脈沖信號,另一種是輸出電能計量的脈沖號。BL0937 芯片的體積很小,內置了晶振、參考電源和兩路ADC。通過精簡的數字算法和高效的硬件結構,在滿足所要求的功能和性能前提下,硬件消耗和功耗都非常低，外圍結構簡單、成本低,非常適合插座表等智能產品中的簡單電能計量,具有較高的性價比。

理想的p（t）只包括兩部分：直流部分和頻率為2ω的交流部分.前者又稱為瞬時實功率信號,瞬時實功率是電能表測量的首要對象。BL0937的VP引腳輸入電壓,IN和IP引腳輸入電流,通過信號處理求出兩個通道中采集數據的乘積,得到有功功率并以脈沖信號的形式從CF輸出,對采集的輸入電壓和輸入電流有效值,也以脈沖信號的形式從CF1輸出,通過計算他們的頻率就能算出有效值。

采集電路見圖3。采集對象是市電電壓,芯片正常工作采集的電壓信號應通過分壓電路調整到200mV以內，電路使用了6個330kΩ電阻串聯的分壓方法,分壓后1kΩ電阻上有大約110mV的電壓信號,市電在176~264V浮動時,此信號會在88~132mV之間,符合芯片要求。電流采樣電路電阻可以采用康銅電阻或者合金電阻,電阻值的選擇則需要根據采樣電流大小。芯片內部集成了兩路ADC,需要在采樣端增加RC濾波電路,達到濾除高頻干擾信號的效果。

2.3 LoRa無線通信電路

數據傳輸部分采用了基于SX1278的LoRa無線模塊,遠程調制解調增加了傳輸距離,功耗更低。調制技術,使傳輸距離變得更遠,傳輸時的靈敏度達到了-148dbm,功率輸出+18dBm,可靠性強,抗干擾能力強.對比傳統調制技術,抗阻塞得到了提高。LORA成功實現了低功耗和遠距離的統一,在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠,比傳統的無線射頻通信距離擴大3~5倍。以往設計中無法同時具備距離遠、抗干擾強和功耗低的難題也得以解決,該模塊以其低功耗、成本低和遠距離的優勢應用于各種物聯網項目中,實現可靠組網和無線通信,適用于遠程抄表、實時數據傳輸等,是物聯網產品的*佳選擇。

LoRa無線通信電路見圖4。該芯片的供電是將5V電壓經過AMS1117芯片降3.3V,LoRa模塊由SPI總線驅動,一共需要8個引腳,圖中P6的前兩個引腳分別接地和3.3V供電,3腳是SPI時鐘輸入引腳,4、5腳是數據的輸入輸出腳,分別接PA6和PA7,6腳是片選引腳,接PB7,在傳輸數據時拉低此引腳,傳輸完*后一個字節再拉高,7腳接主控制器的PA2,用于讀取中斷標志位,8腳接PA4,為復位引腳。

2.4 4G無線通信電路

Air720H是一款4G無線通信模塊,下行速率、上行速率分別可達150Mbps和50Mbps。可以向下兼容GSM或GPRS網絡,保證在沒3G、4G網絡的地區也能使用,有多種網絡協議,具備工業標準接口,兼容多種驅動和軟件應用,有UART接口,將它連接到MCU或PC設備上,可以實現供電、固件下載、AT指令等功能。

系統數據的上傳是通過4G無線通信模塊,基于HTTP通信協議將數據上傳到云端服務器遠程監控。該設計是經UART口發送AT指令控制4G模塊進行配置網絡、數據傳輸等功能,4G模塊有兩個UART口,UART1是AT調試串口,UART2是普通串口,將UART1的RXD、TXD分別連接到主控制器的串口引腳,PA2和PA3用來傳輸AT指令。

3 系統軟件設計

根據要求需要實現數據采集、數據傳輸、訪問云端這些功能,定時捕獲脈沖信號的頻率并轉換成功率,利用主控制器的串口外設控制無線模塊,將采集的功率傳輸到網絡云端,實現遠程監控的功能。

3.1 系統主程序設計

系統主程序設計流程如圖5所示.

程序中配置了SPI總線、串口、PWM捕獲通道這些外設,SPI總線驅動LoRa無線模塊,通過讀/寫寄存器的方式,控制LoRa模塊接收、發送PWM捕獲脈沖信號的數據,再由串口發送AT指令控制4G模塊上傳數據到網絡云端，主控制器根據數據判斷是否發出控制命令。PWM捕獲通道將脈沖信號的頻率計算出來,通過程序內編寫的公式把頻率轉換成功率。

式（1）中：FCF為捕獲脈沖信號的頻率,Vref為基準電壓1.28V,V（V）和V（I）分別是兩個電壓、電流采集管腳的電壓有效值,相乘得出功率。

3.2 LoRa無線通信程序設計

數據發送、接收流程如圖6所示。

該設計中,LoRa無線通信電路用與數據的傳輸并保證穩定和準確。主控制器上電后初始化設備,數據的發送是通過SPI總線將LoRa配置為發送模式,讀取中斷引腳為高電平時,在空閑狀態下寫入FIFO，數據填充完畢后進入到發送狀態。在LoRa配置為連續接收模式時,從機的接收端會一直掃描接收通道,判斷是否有數據,接收到有效數據包之后，需要掃描,然后接收數據并進行CRC檢驗。置FIFO地址指針指到接收的基地址上，若模塊收到前導碼時,先接收數據頭,再接收數據包，接收完后CRC校驗通過后讀取數據并保存。

4高校綜合能效解決方案

4.1校園電力監控與運維

集成設備所有數據，綜合分析、協同控制、優化運行，集中調控，集中監控，數字化巡檢，移動運維，班組重新優化整合，減少人力配置。

【參考文獻】

【1】馬光偉，樊廣曉，王玉虎，卜翠翠，陳佳樂，付廣春.宿舍用電監控系統設計[J]河南科技學院.2020（48）：68-73.

【2】張西珠,劉廷廷,張一航.大學生宿舍的用電安全性分析及管理方案[J].科技經濟導刊,2020,28（23）：195-196.

【3】高校綜合能效解決方案2022.5版.

【4】企業微電網設計與應用手冊2022.05版.