基于阿里云的家庭用电监控系统设计*

何 勉

(陕西理工大学 电气工程学院，陕西 汉中 723000)

0 引言

随着人们安全意识的增强，对家庭安全用电有了更高的要求。在传统的用电过程中，用户无法实时查看电力数据，导致出现电压异常或过电流等安全隐患时不能及时处理，造成用电安全事故。随着科学技术的发展，嵌入式技术、物联网技术和云技术已逐步应用到家庭用电领域[1-5]，使得远程监控用电情况成为可能。

本文设计的基于阿里云的家庭用电监控系统，采用电能计量模块采集电力数据[6-8]，用户可在本地通过触摸屏查看相关数据和控制家庭电源开关，当线路出现低电压或过电流时，系统采取速断保护并报警。采用Wi-Fi模块将系统接入互联网，运用阿里云技术将电力数据采集上云，并通过云平台提供的设备管理和运维能力实现家庭用电的远程监控，安全稳定，维护方便。

1 基于阿里云的家庭用电监控系统总体设计

基于阿里云的家庭用电监控系统由家庭电能采集端和远程监控端两部分组成，其结构框图如图1所示。

图1 基于阿里云的家庭用电监控系统结构框图

家庭电能采集端由STM32控制器、电能计量模块、Wi-Fi模块、继电器模块、触摸屏和报警模块等部分组成，负责采集电力数据并通过Wi-Fi传输到阿里云平台，同时执行阿里云平台发来的电源控制命令。

远程监控端由阿里云平台、手机APP和WEB页面组成。阿里云平台提供安全可靠的设备连接通信功能，支持设备数据采集上云和云端数据下发到设备端，同时还提供了IOT studio开发手机APP和WEB页面，用户通过手机APP或WEB页面就可以实现家庭用电情况的远程监测和实时控制功能。

2 系统硬件设计

2.1 主控制器

主控制器选用STM32F103C8T6单片机，该单片机的外围电路包括电源电路、复位电路、晶振电路和RS232串口电路等。STM32F103C8T6单片机的工作频率高达72 MHz，内置20 kB的SRAM、64 kB的FLASH，拥有36个通用IO口、5路串口，具有高性能、低功耗的优点，能够满足系统需要。

2.2 Wi-Fi模块

主控制器接入互联网采用Wi-Fi方案，Wi-Fi模块选用上海庆科信息技术有限公司开发的EMW3080模块，该模块高度集成ARM CM4F，最高主频133 MHz，内置256 kB的SRAM、2 MB的FLASH，外设接口资源丰富，能够满足大部分的应用需求。

EMW3080模块采用3.3 V单电源供电，与主控制器采用串口通信方式，模块的WIFI_TXD和WIFI_RXD引脚分别连接STM32F103C8T6单片机USART2的PA_3、PA_2，WIFI_RST连接PA_4。Wi-Fi模块与STM32的通信接口电路如图2所示。

图2 Wi-Fi模块与STM32的通信接口电路

2.3 电能计量模块

电能计量模块采用CS5463模块。CS5463是一个包含两个ΔΣ模-数转换器、功率计算功能、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片，可以精确测量瞬时电压、电流和计算IRMS、VRMS、瞬时功率、有功功率和无功功率等，具有与微控制器通信的双向串口和片上系统校准功能，具有温度传感器、电压下降检测和相位补偿功能。

本系统使用的CS5463模块采用ZMCT118A型电流互感器测量电流，采用ZMPT101B型电压互感器测量电压，这两种互感器体积小、精度高，适用于电力测量和保护。CS5463模块与STM32的连接电路如图3所示。

图3 CS5463模块与STM32的连接电路

2.4 继电器模块

本系统选用30 A双路光耦隔离继电器模块，总电流可达60 A，可以满足系统要求。继电器控制家庭电源的总开关，一般情况下处于接通电源状态，只有当系统检测到低电压或过电流时主控制器才控制继电器切断总电源。STM32F103C8T6单片机的PA7口通过光电耦合器接入继电器的工作电路，解决了电压匹配和弱强电隔离的问题。

2.5 显示模块

电能采集端通过触摸屏实时显示电力数据和手动控制电源开关，触摸屏选用深圳市淘晶驰电子科技有限公司生产的3.2寸串口智能屏，该屏通过串口与主控制器交互指令，其串口引脚RXD、TXD分别连接STM32F103C8T6单片机UART4的PC10(TXD)、PC11(RXD)。触摸屏人机界面的制作由上位机软件完成。

2.6 报警模块

报警模块选择有源蜂鸣器，使用三极管开关电路来驱动，STM32F103C8T6单片机的PA8口控制PNP型三极管的基极，当系统采集到的电压值和电流值达到预设值时，单片机控制PA8口输出高电平，三极管导通，蜂鸣器给出报警提示。

2.7 保护部分设计

通过判断电压和电流的测量值是否达到预设值，从而判定是否低电压或者过电流，进而实行速断保护。低电压保护的整定值设置为国家电网220 V单相供电的标准下限值，即220(1-10%)=198 V。过电流保护的整定值是在统计家庭用电功率及同时率后计算出同时在线电器的工作功率和电流，再留出一定裕度作为整定值，本系统过电流保护整定值设置为40 A。当启动速断保护后，在3 s后进行自动重合闸，如果重合闸不成功则判定为系统故障，程序锁死，触摸屏手动开关和远程控制端均无法控制电源通断。

3 接入阿里云平台及系统软件设计

3.1 接入阿里云平台

本系统接入阿里云生活物联网平台。生活物联网平台是阿里云IOT提供的一款针对生活领域的物联网平台，提供了设备接入能力、移动端的SDK及公版APP，能够快速解决家电设备智能化的问题。

登录阿里云网站，注册阿里云账号并完成实名认证，开通生活物联网平台服务。登录生活物联网平台的控制台，选择工作站点为“中国站”，然后创建项目“家庭用电监控系统”，在项目下创建新产品，选择相近品类“电工照明/插座”，选择节点类型为“设备”，联网方式为“WiFi”，数据格式为“Alink JSON”。最后根据系统的需要定义产品功能，功能定义如表1所示。

表1 产品功能定义

定义了产品功能后，进入设备调试，选择认证模组EMW3080，并生成设备三元组，分别是Product Key(产品密钥)、Device Name(设备名称)、Device Secret(设备密钥)。在人机交互页面下载公版云智能APP并配置APP功能，选择自定义的面板，配置APP的多语言管理方式和设备配网引导页面，生成设备配网二维码。配置设备“过电流告警”和“低电压告警”，当告警规则触发后手机将发出震动或声音提醒。最后在批量投产页面进行产品发布。

3.2 电能采集端软件设计

3.2.1 烧录AT固件

AT固件是运行于Wi-Fi无线模块上的软件指令系统，通过该指令可以快速地为嵌入式设备增加无线通信功能，缩短开发周期。本系统需要使用专用下载软件给EMW3080模组烧录直连阿里云平台的AT固件，借助主控MCU，通过UART串口与模组通信的方式，系统就可以配置入网、接入阿里云，实现设备与阿里云平台的无线通信功能。

3.2.2 程序设计

系统上电后，首先进行系统初始化，包括初始化系统时钟、串口、CS5463模块、Wi-Fi模块等。然后检测设备绑定按键是否按下，当开机按下绑定键表示第一次连接Wi-Fi，需要进行手机APP配置入网，主控制器与Wi-Fi模块进行串口通信，通过发送AT指令绑定设备信息、设置服务器站点、开启云服务、配网等，绑定键未按下则按照上次的配置信息直接入网连接阿里云。主控制器通过软件模拟SPI总线与CS5463传感器进行通信，获取当前电压、当前电流、有功功率、功率因数、温度等，并设置定时器每5 s将数据发送到云平台，同时在触摸屏上显示数据。当获取的电压或电流值达到预设值时，启动速断保护，3 s后重合闸，如果成功则恢复供电，否则程序结束，触摸屏手动开关和远程控制端均无法控制电源通断。当主控制器从串口接收到Wi-Fi模块发来的云平台控制命令后，系统执行电源开关控制，并向云平台发送当前电源的开关状态。系统软件程序流程如图4所示。

图4 系统软件程序流程

4 测试结果

在智能手机上安装阿里云提供的公版云智能APP，打开APP，进入“登录”界面，注册账号后进行登录，然后在主页使用APP扫描设备配网二维码，在“连接Wi-Fi”页面输入Wi-Fi账号和密码，这时按下设备绑定按键打开设备电源，手机APP将根据Wi-Fi信息搜索并连接设备。连接成功后，手机页面出现新设备“家庭用电监控系统”，点击进入用电监控界面，采集的电力数据已经显示在手机APP上了，数据每5 s更新一次，如图5所示。

图5 手机APP监控页面 图6 WEB监控页面

在阿里云物联网平台的IoT Studio下可以进行WEB可视化开发，建立项目、绑定产品和设备后，在编辑器中拖拽组件到画布上，配置组件的显示样式、数据源及交互动作，就可以设计出WEB页面，WEB监控页面如图6所示。

5 结语

本文结合阿里云技术设计了家庭用电监控系统，该系统采用CS5463模块实时采集家庭电力数据，通过Wi-Fi模块传输到阿里云平台，用户只需要使用手机APP或WEB页面就可以完成对家庭用电情况的监测，并可以远程控制电源的开启和关闭，同时具有低电压和过电流保护功能。经测试，该系统运行稳定，采集的数据准确，能够实现家庭用电的远程监控功能。