基于物联网的用电器识别监控系统

基于物联网的用电器识别监控系统

赵宇博白园飞舒航项志豪郭怡歌杨志伟

（上海工程技术大学，201620）

摘要：采用基于ADE7758电能计量芯片和STM32单片机所组成的数据采集系统。将ADE7758采集的电压电流信号通过SPI通信串口发送到STM32单片机中进行线性校准，高精度三相电能测量芯片采集到的电压与电流进行分析、处理后，得到电特征参数，功率分析仪对得到的电特征参数进行校正，最后通过wifi模块将STM32采集到的信号通过wifi，在app上显示用电器的种类状态。

关键词：电器识别；STM32F1；AED7758；WIFI模块；手机APP

引言

针对目前市场上的电器设备和电力状态监控系统的运行状况和参数统计，传统的指针仪表式和数字仪表式的参数显示均有其自身的缺陷。前者虽然原理简单，制作轻松，但是读数不稳，误差过大，不适合现阶段的精密统计的需要；后者虽说精度很高，将数据采集与芯片单片机配合，但是自身计算量很大，软件设计过于繁琐。然而本文采用STM32F103开发版单片机为主控模块，设计了主要包含电参数测量模块、显示模块和电源模块等的单相用电器分析监测装置。通过单相双向功率/电能IC芯片AED7758测量负载工作时的瞬时电压、电流以及功率因数等电参数，在此基础上利用主控模块中的算法程序，判断并显示单相用电器的种类和工作状态，将此判断结果通过机智云APP显示在手机上显示。

本文从硬件和软件两方面着手设计电路。硬件方面通过对器件的比较实验，对电路的优化，实现了采集速度快，抗干扰能力强且电路简洁的特点。软件方面使用keiluVision5编程程序，将各个引脚功能明细编写，从而简化程序，节约时间。

一．设计方案

本装置涉及物联网技术领域，具体涉及高精度电能采集芯片，STM32开发板，WIFI模块等。通过将采集到的单相电流、电压信号通过电流互感器、电压互感器、放大电路等组成的电流电压信号调成电路转换为ADE7758芯片所需要的信号，再通过SPI与STM32单片机完成通信，通过WIFI模块esp8266将STM32采集到的信号通过wifi，发送到手机机智云APP界面上，并在手机上以APP端口的形式显示出来，图1-1为系统结构图。

图1系统原理

二．硬件设计

硬件部分通过电压互感器、电流互感器、滤波电路、ADE7758芯片等，将采集到的电压、电流信后通过电压、电流互感器和滤波电路等转换为ADE7758芯片所需的电压电流信号，ADE7758芯片通过SPI串行接口与STM32连接，STM32将信号通过esp8266wifi模块与手机APP通信。装置主要由电特征参数采样，参数处理，电器识别、Wifi模块等几个部分组成。电特征参数采集通过电压互感器、电流互感器滤波电路、放大电路设计硬件电路，采集电压、电流信号输入到参数处理模块对数据进行处理。参数处理使用高精度三相电能测量芯片对采集到的电压与电流进行分析、处理后，得到有功功率、无功功率、功率因数等电特征参数，通过功率分析仪对得到的电特征参数进行校正，通过SPI传输到STM32模块【1-2】，然后通过wifi模块在手机上显示，图1-2为芯片与单片机连接电路图。

图2芯片与单片机连接电路图

电器识别首先通过不同用电器的不同功率来划分该用电器所属于的电器范围，功率因数是家用电器的另一个基本特征，不同类型的用电器的功率因数大不相同。本系统将结合功率变化和功率因数的大小来对接入电网中的用电器类型进行初步的筛选和判断。通过wifi模块实现stm32与手机APP信息的交换。

三．软件设计

软件部分选择STM32F103开发版单片机作为数据的处理芯片，主要是对电量采集芯片参数的读取以及处理，根据对预设的电流值和有功功率等进行对比分析后，得到需要的不同电器设备的不同工作状态；编写手机APP程序。

该装置能够根据电源线的电参数分析用电器类别和工作状态，采用ADE7758芯片和STM32F103开发版单片机组成的数据采集系统采集数据，通过STM32F103开发板与电能采集芯片进行SPI通信，之后经过微处理器来采集和校准数据，能够用软件编程的方式实现数据采集，处理和储存，且具有学习功能，在学习功能下测试并储存个单件电气在各种状态下用于识别电气及其工作状态的特征参数。本系统可以从手机APP中，实时监测拖线板电源线的工作电流、电压、有功功率和无功功率等电量信息，当随机增减用电器或改变使用状态，能实时指示用电器的类别和状态。

本装置以物联网技术为研究基础，从智能家居室内监控系统设计架构入手，着眼于研究用户和管理人员通过互联网对室内用电环境进行监控和控制的通用技术，完成了电器识别功能模块，并实现了基于物联网的室内用电安全智能监控系统的软硬件设计工作。该装置能够根据电源线的电参数分析用电器类别和工作状态。图3为软件流程图

图3软件流程图

四．APP设计

本文通过机智云APP与机智云开发板，利用WIFI模块，将STM32的数据传输到手机APP界面上。通过机智云端口界面设计，可以清晰地看到线路上的电流信号，以及各个设备的工作状态。通过此APP界面将原本繁琐的数据表格展现地更加简洁明了。在传统的仪表指针和数字仪表的基础上，将数据表现得更精确，展示形式更方便，体现了更加自动化的理念。

测试方案及结果

1.测试设备与方法

所用的测试设备有：高精度信号发生仪，高精度万用表。测试方法如下：

（1）精确设计电压、电流互感器参数后，使用WT1800功率分析仪对不同电器进行电特征参数进行记录，分析其规律。并对ADE7758采集的数据进行校对，保证ADE7758模块采集到的电特征参数的准确性。

（2）使用频率分析仪得到的数据对不同用电器的特征进行采集后，对数据进行分析后，通过STM32F103系统板处理，记忆不同电器的特征参数，当拖线板上接有不同的电器的时，STM32系统能够做出判断，并最终在手机APP上显示出来。

2.测试记录

用功率分析仪对各个用电设备参数进行记录。表3-1为各个用电设备工作参数，图3-1为功率分析仪测试界面。

表3-1各用电设备工作参数

图3-1WT1800功率分析仪测试界面（数据）

3.测试结果显示

用本测试设备，对线路上工作的负荷进行测试，测试结果如图3-2所示：

图3-2部分用电器关键特征参数

功能描述

本设计基于物联网的智能家居监控系统，实现家居环境监测，安全报警，家电的智能调节以及家用电器的远程控制等功能。本系统与家庭生活中各种应用系统有机结合在一起，通过综合管理，让家庭生活更加舒适，安全，有效，节能。

发展潜力

背景

随着社会的发展，生活水平的提高，人们对于生活质量提出了更高的要求，低碳，环保，绿色，安全，便捷的生活已经成为人们追求的目标，同时个性化的生活空间也成为越来越多人的追求。

技术

物联网已经成为当今世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一，发展物联网对于促进经济发展和社会进步具有重要的现实意义。而我国物联网发展具备了一定的技术，产业和应用基础，呈现出良好的发展势态。

对比

目前市面上家居产品种类繁多，无论是传统的有线连接方式，还是新型的无线连接方式，都具有安装麻烦，操作繁琐，系统庞大，耗能高等缺点。并且大多数智能家居监控系统费用昂贵，仅适用于新型的现代化建筑。

结论

本文介绍了电能采集系统基于ADE7758电能芯片，不需要其他外扩芯片即可进行A/D转换等功能，极大简化了系统硬件设计；利用wifi模块将用电器种类及状态实时传送到手机APP上，大大提升了使用的方便性

本设计产品具有与手机APP相连，体积小，耗能低，方便携带，安装方便，操作简单，应用灵活等优点，可以满足智能家居的要求，也可以应用到粮仓，化工厂等工业场所的环境监测，具有很强的实用性和推广价值。

参考文献

[1]马磊，周琪，刘玮蔚．一种全自动介质损耗标准器的研发[J]．电测与仪表，2011（12）：79-82．

[2]刘世飞．居民用户电力需求响应控制器的研究与设计[D]．北京：华北电力大学，2016：32-41．