摘 要：很多高校宿舍的用電功率存在限制,為此設計了宿舍用電智能監控系統。系統由主控制器、采集部分、通信部分組成。利用STM32作為主控芯片,采集部分采用BL0937芯片采集電壓和電流,采集多條線路用電數據,各路數據采集通道均采用隔離保護,通信部采用4G、LoRa無線通信模塊和串口。主控制器經4G模塊將數據傳輸到網絡云端實時監控,宿舍的用電功率超過設定的功率時,系統會發送消息給該宿舍的宿舍長,警告宿舍及時管理用電器,否則就會對該宿舍斷電，防止事故的發生,也能更方便地控制宿舍用電情況。經實際測試應用,該監控系統數據處理及時、運行穩定,滿足系統應用需要。關鍵詞：BL0937；LoRa無線模塊；STM32；4G通信0引言如今電器種類龐雜,方便了我們的生活,但用電事故也在不斷發生。電器的功率參數參差不齊，使用時線路負荷過大會造成電氣火災、觸電等事故。學校里用電事故主要是由于使用大功率電器造成的。許多高校宿舍建立時間較長,線路出現老化,在使用大功率電器時產生熱量較多，到一定程度就會發生火災。學生用電時不按照用電安全規定和管理要求,拖接各類違規電器設備，隨意拉線、接線,易發生觸電、火災等安全事故。宿舍用電智能監控系統可以有效減少宿舍用電事故的發生。設計由STM32芯片作為主控電路,從機采集電壓、電流多路數據量，再經過計算得出每個宿舍的用電功率,并且每條線路均采用信號隔離技術使其獨立工作,得到的數據由LoRa無線模塊傳輸到主機，再利用4G通信將數據上傳至網絡云端，實現用電功率的遠程監控，同時數據反饋給主機，主機檢測是否超過管理者設定的功率,若超過發送消息到宿舍長警告該宿舍,不進行處理將會對該宿舍斷電，避免了危險事故的發生。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。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。4.2后勤計費管理采用網絡抄表付費管理技術，實現電、水、氣等能源綜合計費，實現遠程抄表、費率設置、賬單統計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設置補貼方案。通過能源付費管理方式，培養用能群體和部門的節能意識。4.2.1宿舍用電管理針對學生宿舍用電進行管理控制：可批量下發基礎用電額度和定時通斷功能；可進行惡性負載識別，檢測違規電氣，并可獲取違規用電跳閘記錄。4.2.2商鋪水電收費針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進行預付費管理。4.2.3充電樁管理平臺充電樁在“源、網、荷、儲、充”信息能源結構中是必不可缺的。充電樁應用管理同樣是校園生活服務中必不可缺的一部分。4.2.4智能照明管理通過對高校路燈的全局監測，提供對路燈靈活智能的管理，實現校園內任一線路，任一個路燈的定時開關、強制開關、亮度調節，以及定時控制方案靈活設置，確保路燈照明的智能控制和高效節能。4.3能源管理系統針對校園水、電、氣等各類接入能源進行統計分析，包含同比分析、環比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。按校園建筑的分類進行采集和統計的各類建筑耗電數據。如辦公類建筑耗電、教學類建筑耗電、學生宿舍耗電等，對數據分門別類的分析，提供領導決策，提高管理效能。構建符合校園節能監管內容及要求的數據庫，能自動完成能耗數據的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統性的能耗審計報告，能夠監測能耗設備的運行狀態，設置控制策略，達到節能目的。4.4智慧消防系統智慧消防云平臺基于物聯網、大數據、云計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，并對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統化”需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯動，在統一的系統大平臺內運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關人員。5.平臺部署硬件選型5.1電力監控與運維平臺應用場合產品型號功能變電所運維云平臺AcrelCloud-1000AcrelCloud-1000變電所運維云平臺基于互聯網＋、大數據、移動通訊等技術開發的云端管理平臺，滿足用戶或運維公司監測眾多變電所回路運行狀態和參數、室內環境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現場設備或環境視頻場景等需求，實現數據一個中心，集中存儲、統一管理，方便使用，支持具有權限的用戶通過電腦、手機、PAD等各類終端鏈接訪問、接收報警，并完成有關設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。智能網關Anet系列8個RS485串口2kV隔離，2個以太網接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通訊協議設備的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上傳協議、支持多中心不同數據服務要求，支持斷點續傳，裝置電源:220VAC/DC。ANet-2E4SM4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴展模塊，485擴展模塊,可擴展16路。10KV進/饋線AM6-L相間電流速斷保護，相間限時電流速斷保護（可帶低壓閉鎖），相間過電流保護（可帶低壓閉鎖），兩段式零序過流保護，反時限相間過流保護（可帶低壓閉鎖），零序反時限過流保護，過負荷保護，控制回路異常告警。10/0.4KV變壓器AML-S分合閘位置、手車工作/試驗位置、接地刀閘位置、硬接點信號(保護跳閘、裝置告警、控制回路斷線、裝置異常、未儲能、事故總等)、報文(過流、過負荷、超溫報警、過溫報警、裝置告警、PT斷線、CT斷線、對時異常等)、遙控開關、故障波形分析(故障錄波、故障波形、故障記錄、跳閘、故障電流電壓)等。35kV/100kV/6kV間隔智能操控、35kV/10kV/6kV傳感器ASD500一次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、自動溫濕度控制及顯示（標配一路強制加熱）、遠方/就地旋鈕、分合閘旋鈕、儲能旋鈕、人體感應、柜內照明控制、RS485接口、高壓柜內電氣接點無線測溫。35kV/10kV/6kV傳感器合金片固定，CT感應取電，啟動電流大于5A，測溫范圍-50-125℃，測量精度±1℃；無線傳輸距離空曠150米；35kV/10kV/6kV間隔電參量測量APM810三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In；四象限電能；實時及需量；電流、電壓不平衡度；負載電流柱狀圖顯示；66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄；2-63次諧波；2DI+2DORS485/Modbus；LCD顯示；變壓器接頭測溫低壓進出線柜接頭測溫ARTM-Pn可至多配套60個ATE400測溫傳感器，無線溫度傳感器ATE400適用于手車式動觸頭，電纜與母排搭接處，隔離刀閘搭接處等電氣搭接點的溫度測量，采用捆綁式安裝。可使用ATC-400無線測溫接收器接收數據。該終端可單獨安裝在高壓柜、低壓抽屜柜內。中低壓回路WHD72-11WHD溫濕度控制器產品主要用于中高壓開關柜、端子箱、環網柜、箱變等設備內部溫度和濕度調節控制。工作電源：AC/DC85～265V工作溫度：-40.0℃～99.9℃工作濕度：0RH～99RHADW300三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，有功電能計量（正、反向）、四象限無功電能、總諧波含量、分次諧波含量（2～31次）；A、B、C、N四路測溫；1路剩余電流測量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD顯示；有功電能精度：0.5S級DTSD1352三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，分相總有功電能，總正反向有功電能統計，總正反向無功電能統計；紅外通訊；電流規格：經互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級5.2后勤計費管理5.2.1宿舍/商業預付費平臺應用場景型號圖片保護功能預付費云平臺AcrelCloud-3200系統為B/S架構，主要包括前端管理網站和后臺集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關閥。智能數據采集Anet系列8個RS485串口2kV隔離，2個以太網接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通訊協議設備的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上傳協議、支持多中心不同數據服務要求，支持斷點續傳，裝置電源:220VAC/DC。ANet-2E4SM4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴展模塊，485擴展模塊,可擴展16路。ABox5000多路RS485接口，能對多種終端設備進行數據采集支持網口通過ModbusTcp協議采集其它系統或設備轉發的數據提供6路DC12/24V電壓輸出接口支持4級遙測越限告警，遙信變位告警功能支持斷點續傳功能，實時檢測，防止數據丟失計量及預付費儀表DDSY1352-Z·全電參量測量：U、1、P、Q、S、PF·預付費功能：可設置欠費蔬閘功能，除欠用電功能·惡性負數識別，作息時間·RS-485通訊接口，MODBUS或DL／T645規約·具有CPA證書DTSY1352-Z.全電參量測量：U、1、P、Q、S、PF·不平衡度、2-31次請波測量.數據凍結功能·高精度0.5S級電能計量·預付費功能·惡性負載識別，作息時間管理·RS-485通訊接口，MODBUS或DL／T645規約·具有CPA證書ADW300支持多種通訊方式：支持RS-485，NB-loT、LoRa、WIFI及4G通訊支持多種規格外置開口式互感器，方便改造項目接線支持多路DUDO、溫度、漏電監測·具有電能質量分析和需量統計功能·具有CPA證書DDSY1352-xDM一進多出，可實現宿舍照明，插座、空調，衛生間等用電分路計量和控制·諧波1％（2-42），2％（43-63）·全電參量測量：U、1、P、Q、S、PFABox5000數據融合終端·預付費功能：基礎用電下發·支持網口通過ModbusTcp協議采集其它系統或設備轉發的數據多路RS485撞口，能對多種終瑞設備進行數據采集·惡性負載識別：阻性負載識別、相位插座識別、夜間小功率載跳閘記錄·提供6路DC12／24V電壓輸出接口·作息時間管理ADF400系列支持12路三相或36路單相組合計量，可單三相混用，直接接入與互感器接入混用：全電參量測量：U、1、P、Q、S、PF·高精度0.5S級電能計量·預付費功能·惡性負載識別，作息時間管理LXSY系列·預付費功能∶先買水后用水，欠費關闖遠傳功能支持總線通訊和物聯網通訊雙顯功能電子顯示和機械字輪顯示閥門自動維護、IP68防防護ENC測試達到國家標準、克服環境電磁干擾影響，穩定性強中壓產品AM系列綜合保護裝置·具有級強的數據處理，邏輯造算和信息存儲能力，可為35kY及以下電壓等級的進線，饋線、變壓器，高壓電動機，高壓電容器等對象提供過負荷、低電壓、過電壓、熱過載、非電量等保護功能，防止事故擴大，降低高價值設備損壞的風險。APView500相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓／電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動／閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G,16D0+22D1,通訊2RS485+1RS232+1GPS,3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口，支持U盤讀取數據，支持61850協議。智能儀表及用電監控裝置APM系列全電量測量，四象限電能，復費率電能，儀表內部溫度測量，總有功、總無功、總視在電能脈沖輸出、秒脈沖等可選。三相電流、有功功率、無功功率、視在功率實時需量(包含時間戳)。電流、線電壓、相電壓、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率、電流總諧波、電壓總諧波的本月值和上月值(包含時間戳)。中文顯示，有功電能0.2s級。通訊方式：RS485，Prifibus-DP、以太網AEM系列三相電力參數測量、電壓和電流的相角、四象限電能計量、復費率、需量、歷史電能統計、開關量事件記錄、歷史值記錄、31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）、開關量、報警輸出通訊方式：RS485接口，支持Modbus-RTU協議ARCM系列ARCM系列電氣火災探測器可對配電回路的剩余電流、導線溫度等火災危險參數實施監控和管理，集成度高，體積小巧，安裝方便，防范因泄漏電流而導致的電氣火災.5.2.2充電樁管理平臺應用場景型號圖 片保護功能充電樁管理平臺AcrelCloud-9000采用泛在物聯、云計算、大數據、移動通訊、智能傳感等技術手段可為用戶提供能源數據采集、統計分析、能效分析、用能預警、設備管理等服務，平臺可以廣泛應用于多種領域。新能源汽車充電樁AEV-AC007D-LCD輸入輸出電壓：AC220V1個充電接口，充電線長5米；輸出功率7km；掃碼、刷卡支付：標配無線通訊：4G、WIFI、藍牙三選一（下單備注規格，無備注默認4G通訊）。AEV-DC060S直流60kw雙槍一體充電機AEV-DC120S直流120kw雙槍一體充電機智能電動車充電樁ACX10A系列10路承載電流25A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。ACX10A-TYHN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，掃碼、免費充電ACX10A-TYN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，免費充電ACX10A-YHW：防護等級IP65，支持刷卡，掃碼，免費充電ACX10A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡，掃碼，免費充電ACX10A-YW：防護等級IP65，支持刷卡、免費充電ACX10A-MW：防護等級IP65，僅支持免費充電ACX2A系列2路承載電流20A，單路輸出電流10A，單回路功率2200W，總功率4400W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，報警上報。ACX2A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡、掃碼充電ACX2A-HN：防護等級IP21，支持掃碼充電ACX2A-YN：防護等級IP21，支持刷卡充電5.2.3智能照明管理應用場景產品型號功能普通照明配電箱ASL220-S系列1、ALIBUS總線擴展模塊，通信鏈路供電。2、功耗：≤5VA3、4路16A磁保持繼電器輸出，輸出可通過按鈕手動控制，輸出狀態液晶屏顯示。4、2路開關量輸入，可接入開關、報警、人體紅外感應器等信號。5、外形尺寸:144mm(W)*90mm(H)*70mm(D)。