摘 要：很多高校宿舍的用电功率存在限制,为此设计了宿舍用电智能监控系统。系统由主控制器、采集部分、通信部分组成。利用STM32作为主控芯片,采集部分采用BL0937芯片采集电压和电流,采集多条线路用电数据,各路数据采集通道均采用隔离保护,通信部采用4G、LoRa无线通信模块和串口。主控制器经4G模块将数据传输到网络云端实时监控,宿舍的用电功率超过设定的功率时,系统会发送消息给该宿舍的宿舍长,警告宿舍及时管理用电器,否则就会对该宿舍断电，防止事故的发生,也能更方便地控制宿舍用电情况。经实际测试应用,该监控系统数据处理及时、运行稳定,满足系统应用需要。关键词：BL0937；LoRa无线模块；STM32；4G通信0引言如今电器种类庞杂,方便了我们的生活,但用电事故也在不断发生。电器的功率参数参差不齐，使用时线路负荷过大会造成电气火灾、触电等事故。学校里用电事故主要是由于使用大功率电器造成的。许多高校宿舍建立时间较长,线路出现老化,在使用大功率电器时产生热量较多，到一定程度就会发生火灾。学生用电时不按照用电安全规定和管理要求,拖接各类违规电器设备，随意拉线、接线,易发生触电、火灾等安全事故。宿舍用电智能监控系统可以有效减少宿舍用电事故的发生。设计由STM32芯片作为主控电路,从机采集电压、电流多路数据量，再经过计算得出每个宿舍的用电功率,并且每条线路均采用信号隔离技术使其独立工作,得到的数据由LoRa无线模块传输到主机，再利用4G通信将数据上传至网络云端，实现用电功率的远程监控，同时数据反馈给主机，主机检测是否超过管理者设定的功率,若超过发送消息到宿舍长警告该宿舍,不进行处理将会对该宿舍断电，避免了危险事故的发生。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。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。4.2后勤计费管理采用网络抄表付费管理技术，实现电、水、气等能源综合计费，实现远程抄表、费率设置、账单统计汇总等，支持微信、支付宝、一卡通等充值支付方式，可设置补贴方案。通过能源付费管理方式，培养用能群体和部门的节能意识。4.2.1宿舍用电管理针对学生宿舍用电进行管理控制：可批量下发基础用电额度和定时通断功能；可进行恶性负载识别，检测违规电气，并可获取违规用电跳闸记录。4.2.2商铺水电收费针对校园超市、商铺、食堂及其他针对个体的水电用能进行预付费管理。4.2.3充电桩管理平台充电桩在“源、网、荷、储、充”信息能源结构中是必不可缺的。充电桩应用管理同样是校园生活服务中必不可缺的一部分。4.2.4智能照明管理通过对高校路灯的全局监测，提供对路灯灵活智能的管理，实现校园内任一线路，任一个路灯的定时开关、强制开关、亮度调节，以及定时控制方案灵活设置，确保路灯照明的智能控制和高效节能。4.3能源管理系统针对校园水、电、气等各类接入能源进行统计分析，包含同比分析、环比分分析、损耗分析等。了解用能总量和能源流向。按校园建筑的分类进行采集和统计的各类建筑耗电数据。如办公类建筑耗电、教学类建筑耗电、学生宿舍耗电等，对数据分门别类的分析，提供领导决策，提高管理效能。构建符合校园节能监管内容及要求的数据库，能自动完成能耗数据的采集工作，自动生成各种形式的报表、图表以及系统性的能耗审计报告，能够监测能耗设备的运行状态，设置控制策略，达到节能目的。4.4智慧消防系统智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术，将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络，并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位，实时动态采集消防信息，通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”需求。从火灾预防，到火情报警，再到控制联动，在统一的系统大平台内运行，用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况，并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下，在几秒时间内，相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段，就迅速能够迅速通知到达相关人员。5.平台部署硬件选型5.1电力监控与运维平台应用场合产品型号功能变电所运维云平台AcrelCloud-1000AcrelCloud-1000变电所运维云平台基于互联网＋、大数据、移动通讯等技术开发的云端管理平台，满足用户或运维公司监测众多变电所回路运行状态和参数、室内环境温湿度、电缆及母线运行温度、现场设备或环境视频场景等需求，实现数据一个中心，集中存储、统一管理，方便使用，支持具有权限的用户通过电脑、手机、PAD等各类终端链接访问、接收报警，并完成有关设备日常和定期巡检和派单等管理工作。智能网关Anet系列8个RS485串口2kV隔离，2个以太网接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上传协议、支持多中心不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220VAC/DC。ANet-2E4SM4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块,可扩展16路。10KV进/馈线AM6-L相间电流速断保护，相间限时电流速断保护（可带低压闭锁），相间过电流保护（可带低压闭锁），两段式零序过流保护，反时限相间过流保护（可带低压闭锁），零序反时限过流保护，过负荷保护，控制回路异常告警。10/0.4KV变压器AML-S分合闸位置、手车工作/试验位置、接地刀闸位置、硬接点信号(保护跳闸、装置告警、控制回路断线、装置异常、未储能、事故总等)、报文(过流、过负荷、超温报警、过温报警、装置告警、PT断线、CT断线、对时异常等)、遥控开关、故障波形分析(故障录波、故障波形、故障记录、跳闸、故障电流电压)等。35kV/100kV/6kV间隔智能操控、35kV/10kV/6kV传感器ASD500一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、自动温湿度控制及显示（标配一路强制加热）、远方/就地旋钮、分合闸旋钮、储能旋钮、人体感应、柜内照明控制、RS485接口、高压柜内电气接点无线测温。35kV/10kV/6kV传感器合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125℃，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米；35kV/10kV/6kV间隔电参量测量APM810三相（I、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In；四象限电能；实时及需量；电流、电压不平衡度；负载电流柱状图显示；66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录；2-63次谐波；2DI+2DORS485/Modbus；LCD显示；变压器接头测温低压进出线柜接头测温ARTM-Pn可至多配套60个ATE400测温传感器，无线温度传感器ATE400适用于手车式动触头，电缆与母排搭接处，隔离刀闸搭接处等电气搭接点的温度测量，采用捆绑式安装。可使用ATC-400无线测温接收器接收数据。该终端可单独安装在高压柜、低压抽屉柜内。中低压回路WHD72-11WHD温湿度控制器产品主要用于中高压开关柜、端子箱、环网柜、箱变等设备内部温度和湿度调节控制。工作电源：AC/DC85～265V工作温度：-40.0℃～99.9℃工作湿度：0RH～99RHADW300三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级DTSD1352三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级5.2后勤计费管理5.2.1宿舍/商业预付费平台应用场景型号图片保护功能预付费云平台AcrelCloud-3200系统为B/S架构，主要包括前端管理网站和后台集抄服务，配合公司的预付费电表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用户计量箱ADF300L系列，实现电能计量和电费管理等功能。另外可以选配远传阀控水表组成水电一体预付费系统，达到先交费后用水的目的，剩余水量用完自动关阀。智能数据采集Anet系列8个RS485串口2kV隔离，2个以太网接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上传协议、支持多中心不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220VAC/DC。ANet-2E4SM4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块,可扩展16路。ABox5000多路RS485接口，能对多种终端设备进行数据采集支持网口通过ModbusTcp协议采集其它系统或设备转发的数据提供6路DC12/24V电压输出接口支持4级遥测越限告警，遥信变位告警功能支持断点续传功能，实时检测，防止数据丢失计量及预付费仪表DDSY1352-Z·全电参量测量：U、1、P、Q、S、PF·预付费功能：可设置欠费蔬闸功能，除欠用电功能·恶性负数识别，作息时间·RS-485通讯接口，MODBUS或DL／T645规约·具有CPA证书DTSY1352-Z.全电参量测量：U、1、P、Q、S、PF·不平衡度、2-31次请波测量.数据冻结功能·高精度0.5S级电能计量·预付费功能·恶性负载识别，作息时间管理·RS-485通讯接口，MODBUS或DL／T645规约·具有CPA证书ADW300支持多种通讯方式：支持RS-485，NB-loT、LoRa、WIFI及4G通讯支持多种规格外置开口式互感器，方便改造项目接线支持多路DUDO、温度、漏电监测·具有电能质量分析和需量统计功能·具有CPA证书DDSY1352-xDM一进多出，可实现宿舍照明，插座、空调，卫生间等用电分路计量和控制·谐波1％（2-42），2％（43-63）·全电参量测量：U、1、P、Q、S、PFABox5000数据融合终端·预付费功能：基础用电下发·支持网口通过ModbusTcp协议采集其它系统或设备转发的数据多路RS485撞口，能对多种终瑞设备进行数据采集·恶性负载识别：阻性负载识别、相位插座识别、夜间小功率载跳闸记录·提供6路DC12／24V电压输出接口·作息时间管理ADF400系列支持12路三相或36路单相组合计量，可单三相混用，直接接入与互感器接入混用：全电参量测量：U、1、P、Q、S、PF·高精度0.5S级电能计量·预付费功能·恶性负载识别，作息时间管理LXSY系列·预付费功能∶先买水后用水，欠费关闯远传功能支持总线通讯和物联网通讯双显功能电子显示和机械字轮显示阀门自动维护、IP68防防护ENC测试达到国家标准、克服环境电磁干扰影响，稳定性强中压产品AM系列综合保护装置·具有级强的数据处理，逻辑造算和信息存储能力，可为35kY及以下电压等级的进线，馈线、变压器，高压电动机，高压电容器等对象提供过负荷、低电压、过电压、热过载、非电量等保护功能，防止事故扩大，降低高价值设备损坏的风险。APView500相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压／电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动／闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G,16D0+22D1,通讯2RS485+1RS232+1GPS,3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口，支持U盘读取数据，支持61850协议。智能仪表及用电监控装置APM系列全电量测量，四象限电能，复费率电能，仪表内部温度测量，总有功、总无功、总视在电能脉冲输出、秒脉冲等可选。三相电流、有功功率、无功功率、视在功率实时需量(包含时间戳)。电流、线电压、相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、电流总谐波、电压总谐波的本月值和上月值(包含时间戳)。中文显示，有功电能0.2s级。通讯方式：RS485，Prifibus-DP、以太网AEM系列三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）、开关量、报警输出通讯方式：RS485接口，支持Modbus-RTU协议ARCM系列ARCM系列电气火灾探测器可对配电回路的剩余电流、导线温度等火灾危险参数实施监控和管理，集成度高，体积小巧，安装方便，防范因泄漏电流而导致的电气火灾.5.2.2充电桩管理平台应用场景型号图 片保护功能充电桩管理平台AcrelCloud-9000采用泛在物联、云计算、大数据、移动通讯、智能传感等技术手段可为用户提供能源数据采集、统计分析、能效分析、用能预警、设备管理等服务，平台可以广泛应用于多种领域。新能源汽车充电桩AEV-AC007D-LCD输入输出电压：AC220V1个充电接口，充电线长5米；输出功率7km；扫码、刷卡支付：标配无线通讯：4G、WIFI、蓝牙三选一（下单备注规格，无备注默认4G通讯）。AEV-DC060S直流60kw双枪一体充电机AEV-DC120S直流120kw双枪一体充电机智能电动车充电桩ACX10A系列10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电ACX2A系列2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电5.2.3智能照明管理应用场景产品型号功能普通照明配电箱ASL220-S系列1、ALIBUS总线扩展模块，通信链路供电。2、功耗：≤5VA3、4路16A磁保持继电器输出，输出可通过按钮手动控制，输出状态液晶屏显示。4、2路开关量输入，可接入开关、报警、人体红外感应器等信号。5、外形尺寸:144mm(W)*90mm(H)*70mm(D)。