智能电能监测与安全控制装置的设计

    宋政瑶 陈帅奇 吴茜

    

    

    

    摘 要：隨着社会的进步和人们生活水平的提高，人们对家庭生活的品质和便捷度的追求也越来越高，随之越来越多的家用电器出现在我们的生活中，给我们带来居住的便捷、舒适、幸福快乐的同时，也带来了用电安全的隐患。为此，设计了一种安全便捷的智能电能监测与安全控制装置。它在不破坏原有供电电路及用电器的基础上，完成随时查看家用电器的用电量、电费、用电时间等内容，以及定时通断、设备报警的操作，以期望既能随时查看用电情况，又能保证用电安全并能够节省社会能源。

    关键词：智能监测;安全控制;电量计量;定时通断;One Net平台

    中图分类号：TM76 ? ? ? ?文献标识码：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

    随着社会的发展，人们的生活越来越智能化和便利化，各类用电器成为了当今技术领域和市场的热点研究对象，以不断改善人们的生活品质，为人们提供一个舒适、便捷、安全的生活环境为目的创造智能产品，满足人们日益增长的居住环境条件追求。

    用电器不仅能够提高人的幸福指数，还能够为人们节省宝贵时间，但是用电器也带来了安全隐患。为此提出并设计智能电能监测与安全控制装置，在不破坏原有供电电路及用电器的基础上，实现控制用电器的通断，保证用电安全，在享受智能电器为用户带来方便的同时，也有效地缓解社会用电紧张的局面。

    1 现状分析

    用电器工作时间过长、缺少漏电保护或负载过大，都可能会引起触电甚至火灾等多种故障。据统计，火灾中由于用电不当而引起的占57%，尤其对于独居老人，随着年龄的增长，记忆的衰退，很容易忽视用电安全问题。因此，安全检测和控制就显得尤为重要，要想推动智能家居的长远发展，安全检测和控制不可或缺。

    目前，国内外电力测量方案大多采用“ADC+DSP+单片机"的设计方案。这种设计方案虽然可以提高计量的准确度，可以根据特定的环境采用相应的计量算法，但是此方案分立元器件较多，可靠性难以保证，并且开发成本较高，未实现智能化人机交互，仅适用于相关电参量的测量。

    2 方案提出

    本设计提出一种新的方案（即电能计量集成模块+单片机+执行控制装置+无线通信模块），电路结构简单，系统稳定性强，成本较低，通过无线通信模块来实现人机交互功能。虽然集成式电能计量模块的精度和性能及其内部干扰会对系统产生限制，但对于家用电器的测量范围，计量精度不必太高且计量系统不宜过大，经过近年来集成电路技术的发展，集成式电能计量模块的性能和功能也越来越强大，精度和性能有了大幅度提升。

    3 系统设计

    系统由数据采集模块、无线通信（Wi-Fi）模块、集成式电量计量模块、主控（单片机）模块、实时时钟、接口电路、继电器、用电器构成。采样电路、温度检测单元、构成数据采集模块，将采集到的电流、电压、温度等信号传输到集成式电量计量模块中进行处理，获得电量、功率等相关参数。单片机接收集成式电量计量模块传输出的参数并与设定参数范围进行比较，若某一参数超出设定范围，将实现警告操作，并通过与接口电路相连控制继电器，进而改变用电器工作状态;单片机通过LCD显示屏将各项参数显示;单片机通过串口将各项数据发送给ESP8266无线通信模块，由ESP8266发送给OneNet云平台，再由云平台转发给PDA最终端，此时用户便可实时查看用电器用电情况，用户若想要改变用电器工作状态，则用PDA最终端发出控制指令，通过OneNet云平台按照原路返回传输命令完成各项操作。系统结构图如图1所示。

    3.1 硬件设计

    （1）采样电路。采样电路分为两部分，一部分实现对电压的采样，另一部分实现对电流的采样。

    利用电阻分压电路对电压进行采样，图2中R8～R11为分压电阻，通过分压电路将220 V电压变换为芯片可处理的低电压。

    由于温度对锰铜的阻值影响很小，因此选用锰铜采样电阻进行电流采样。采用完全差分输入方式，锰铜电阻两端通过R3、R5连接到芯片。图3中R3、R4和电容C2、C3构成阻容滤波电路，滤除高频成分。

    （2）集成式电量计量模块。集成式电量计量模块中选用CSE7766集成式电能计量芯片，CSE7766是一款免校准的电能计量芯片，它具有极高的精度且在出场时就已经完成校准，无需任何设置便可直接读取电量相关参数。本设计中电流信号通过锰铜电阻采样后接入CSE7766，电压信号则通过分压电路后输入到CSE7766。CSE7766同时接收电压电流信号进行处理并传输给单片机。原理图如图4所示。

    （3）温度检测单元。温度检测单元中采用DS18B20数字温度传感器检测用电器的实时温度，该传感器温度检测范围为-55～+125 ℃，在温度范围超过-10～+85 ℃之外时还具有±0.5 ℃的精度。DS18B20数字温度传感器转化时间短，可达750 ms。该单元还设有过温和低温触发报警的功能。原理图如图5所示。

    PNP三极管集电极接地，发射极接入+5 V电压源，基极通过电阻接入单片机P1.3端口和P1.4端口。当DS18B20数字温度传感器检测到的温度在设定范围内，单片机P1.3、P1.4端口为高电平，电路不导通，则指示灯不亮。若检测到温度超出设定范围，高温指示灯点亮;若检测到的温度低于设定范围，低温指示灯点亮。

    （4）实时时钟。实时时钟采用DS3232M来实现对用电器工通电计时功能，DS3232M是低成本、超高精度实时时钟，带有236字节电池备份SRAM。该器件集成了一个电池输入，当设备的主电源中断时可以保持精确的计时且能够检测电源故障，提出复位输出，并在必要时自动切换到备用电源。

    （5）主控（单片机）模块。主控模块选用了AT89C51单片机作为整个系统的核心，实现对各个模块的控制。它是一款高性能CMOS型8位微控制器，具有高效、低功率和使用寿命长等特点。

    （6）显示模块。显示模块采用LCD1602液晶显示屏，完成对温度、电量、功率等信息的显示。该显示屏具有显示质量高、体积小、重量轻、功耗低的优点，并且具有数字式接口，与单片机系统接口更加简单可靠，操作更加方便。

    （7）无线通信模块。无线通信模块采用ALIENTEK推出的高性能URAT—WiFi（串口—无线）模块ESP8266来连接单片机与PDA最终端，保证用户与用电器之间信息互换的顺利进行。ESP8266使用了3.3 V的直流电源，具有体积小、功耗低、支持透明传输、丢包现象不严重、价格较低等优点。内置TCP/IP协议栈，通过串口与单片机进行通信，便能够实现串口与WiFi之间的转换。ESP8266对单片机的要求较低，只需进行简单的串口配置就能够通过WiFi完成数据传输。

    3.2 OneNet 云平台

    OneNet云平台是中移物联网有限公司基于物联网技术和产业特点打造的开放平台和生态环境，适配各种网络环境和协议类型，支持各类传感器和智能硬件的快速接入和大数据服务，提供丰富的API和应用模板以支持各类行业应用和智能硬件的开发，能够有效降低物联网应用开发和部署成本，满足物联网领域设备连接、协议适配、数据存储、数据安全、大数据分析等平台级服务需求。

    本设计采用EDP协议接入，通过OneNet云平台来实现手机与用电器点对点通信，完成用户与用电器之间信息交互功能。

    4 软件设计

    系统以AT89C51单片机控制器为核心，初始化之后除了要将各模块采集的信息进行储存、显示、分析控制以外，还要通过ESP8266无线网络系统和OneNet云平台实现信息交互功能，完成各项指令以满足用户需求。

    5 测验

    在实验室条件下，令一用电器连续工作12 h，下表中每间隔1 h记录一次电压、电流、用电量、温度的数值。

    从图7中可以看出，用电量与时间之间呈线性关系，说明系统可以长时间稳定运行。

    通过观察可以发现表中电压测量值始终存在波动，但是实际电压值应为220 V，通過分析，主要有两个因素可能会对实验结果产生干扰：

    （1）大功率负载本身具有不稳定性，在一定范围内波动，造成的测量误差。

    （2）温度变化导致电路中的阻值变化，从而影响测量结果。

    6 总结

    本设计从安全用电以及节约能源的角度出发，以为人们在便捷生活基础上提供安全保障和能源节约保障为目的，设计出一种安全便捷的智能电能监测与安全控制装置。该装置不仅使用方便、操作简单、智能、可靠性高，而且各个模块之间易于组合实现，能够增强整体系统上的安全性和稳定性，但是仍然存在一些不足，需要通过应用于不同的实际环境来进一步完善和设计细节，这将是下一步的重点。

    参考文献：

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