高校综合能效解决方案在宿舍用电监控系统中的应用

1 系统整体设计

宿舍用电智能监控系统总体框图。

系统整体设计分为主机和从机两部分,主要由数据采集电路、处理电路、传输电路组成.数据采集电路基于BL0937设计,BL0937的VP引脚接入线路中采集电压信号,BL0937的IP和IN引脚则采集电流信号,由耦合隔离电路传入从机的脉冲信号捕获通道,捕获到的脉冲信号的频率经过公式计算出功率，再经LoRa无线通信模块使数据传输到主机,主机根据计算出的功率，发出相应的控制命令,管理宿舍用电，并将数据封装处理后由4G无线通信模块上传到网络云端。

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2 系统硬件设计

宿舍用电智能监控系统硬件电路结构主要包括电源转换电路、STM32主控制器、BL0937 采集电路和LoRa无线通信电路、4G无线通信电路。

2.1 电源转换电路

为得到12V的直流电源为系统供电,采用AC-DC的降压模块对220V的交流电源进行转换。随后使用B1205-2W的隔离型电源器件,将12V的直流电源进一步转换为所需要使用5V的直流电，使用隔离型电源器件B1205-2W的好处在于保护STM32主控芯片,以及一些其他的外部电路,确保使用的安全性以及设计的可行性。*后使用低压线性稳压芯片AMS1117-3.3，AMS1117输入电压*高可达12V,输出电压可以为1.8、1.9、2.5、3.3和5V,输出电流*高可达1A，且片内集成过热保护和过流保护模块，保证芯片和系统的安全，5 V的直流电源转化成可以为STM32主控芯片直接供电的3.3V电源。电源转换电路图见图2。

2.2 STM32主控制器

采集电路采用的是一款电能计量芯片BL0937,集成了参考电压模块、电源管理模块和计算功率、电流、电压的有效值等数字电路,可以输出电流和电压有效值脉冲信号。BL0937有两种输出模式,一种是输出电流、电压的脉冲信号,另一种是输出电能计量的脉冲号。BL0937 芯片的体积很小,内置了晶振、参考电源和两路ADC。通过精简的数字算法和高效的硬件结构,在满足所要求的功能和性能前提下,硬件消耗和功耗都非常低，外围结构简单、成本低,非常适合插座表等智能产品中的简单电能计量,具有较高的性价比。

理想的p（t）只包括两部分：直流部分和频率为2ω的交流部分.前者又称为瞬时实功率信号,瞬时实功率是电能表测量的首要对象。BL0937的VP引脚输入电压,IN和IP引脚输入电流,通过信号处理求出两个通道中采集数据的乘积,得到有功功率并以脉冲信号的形式从CF输出,对采集的输入电压和输入电流有效值,也以脉冲信号的形式从CF1输出,通过计算他们的频率就能算出有效值。

采集电路见图3。采集对象是市电电压,芯片正常工作采集的电压信号应通过分压电路调整到200mV以内，电路使用了6个330kΩ电阻串联的分压方法,分压后1kΩ电阻上有大约110mV的电压信号,市电在176~264V浮动时,此信号会在88~132mV之间,符合芯片要求。电流采样电路电阻可以采用康铜电阻或者合金电阻,电阻值的选择则需要根据采样电流大小。芯片内部集成了两路ADC,需要在采样端增加RC滤波电路,达到滤除高频干扰信号的效果。

2.3 LoRa无线通信电路

数据传输部分采用了基于SX1278的LoRa无线模块,远程调制解调增加了传输距离,功耗更低。调制技术,使传输距离变得更远,传输时的灵敏度达到了-148dbm,功率输出+18dBm,可靠性强,抗干扰能力强.对比传统调制技术,抗阻塞得到了提高。LORA成功实现了低功耗和远距离的统一,在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远,比传统的无线射频通信距离扩大3~5倍。以往设计中无法同时具备距离远、抗干扰强和功耗低的难题也得以解决,该模块以其低功耗、成本低和远距离的优势应用于各种物联网项目中,实现可靠组网和无线通信,适用于远程抄表、实时数据传输等,是物联网产品的*佳选择。

LoRa无线通信电路见图4。该芯片的供电是将5V电压经过AMS1117芯片降3.3V,LoRa模块由SPI总线驱动,一共需要8个引脚,图中P6的前两个引脚分别接地和3.3V供电,3脚是SPI时钟输入引脚,4、5脚是数据的输入输出脚,分别接PA6和PA7,6脚是片选引脚,接PB7,在传输数据时拉低此引脚,传输完*后一个字节再拉高,7脚接主控制器的PA2,用于读取中断标志位,8脚接PA4,为复位引脚。

2.4 4G无线通信电路

Air720H是一款4G无线通信模块,下行速率、上行速率分别可达150Mbps和50Mbps。可以向下兼容GSM或GPRS网络,保证在没3G、4G网络的地区也能使用,有多种网络协议,具备工业标准接口,兼容多种驱动和软件应用,有UART接口,将它连接到MCU或PC设备上,可以实现供电、固件下载、AT指令等功能。

系统数据的上传是通过4G无线通信模块,基于HTTP通信协议将数据上传到云端服务器远程监控。该设计是经UART口发送AT指令控制4G模块进行配置网络、数据传输等功能,4G模块有两个UART口,UART1是AT调试串口,UART2是普通串口,将UART1的RXD、TXD分别连接到主控制器的串口引脚,PA2和PA3用来传输AT指令。

3 系统软件设计

根据要求需要实现数据采集、数据传输、访问云端这些功能,定时捕获脉冲信号的频率并转换成功率,利用主控制器的串口外设控制无线模块,将采集的功率传输到网络云端,实现远程监控的功能。

3.1 系统主程序设计

系统主程序设计流程如图5所示.

程序中配置了SPI总线、串口、PWM捕获通道这些外设,SPI总线驱动LoRa无线模块,通过读/写寄存器的方式,控制LoRa模块接收、发送PWM捕获脉冲信号的数据,再由串口发送AT指令控制4G模块上传数据到网络云端，主控制器根据数据判断是否发出控制命令。PWM捕获通道将脉冲信号的频率计算出来,通过程序内编写的公式把频率转换成功率。

式（1）中：FCF为捕获脉冲信号的频率,Vref为基准电压1.28V,V（V）和V（I）分别是两个电压、电流采集管脚的电压有效值,相乘得出功率。

3.2 LoRa无线通信程序设计

数据发送、接收流程如图6所示。

该设计中,LoRa无线通信电路用与数据的传输并保证稳定和准确。主控制器上电后初始化设备,数据的发送是通过SPI总线将LoRa配置为发送模式,读取中断引脚为高电平时,在空闲状态下写入FIFO，数据填充完毕后进入到发送状态。在LoRa配置为连续接收模式时,从机的接收端会一直扫描接收通道,判断是否有数据,接收到有效数据包之后，需要扫描,然后接收数据并进行CRC检验。置FIFO地址指针指到接收的基地址上，若模块收到前导码时,先接收数据头,再接收数据包，接收完后CRC校验通过后读取数据并保存。

4高校综合能效解决方案

4.1校园电力监控与运维

集成设备所有数据，综合分析、协同控制、优化运行，集中调控，集中监控，数字化巡检，移动运维，班组重新优化整合，减少人力配置。

【参考文献】

【1】马光伟，樊广晓，王玉虎，卜翠翠，陈佳乐，付广春.宿舍用电监控系统设计[J]河南科技学院.2020（48）：68-73.

【2】张西珠,刘廷廷,张一航.大学生宿舍的用电安全性分析及管理方案[J].科技经济导刊,2020,28（23）：195-196.

【3】高校综合能效解决方案2022.5版.

【4】企业微电网设计与应用手册2022.05版.