家用线路用电安全实时监测系统

    摘 要：用电安全关系到家家户户的人身财产安全，家用线路的老化、超负荷工作均可能导致火灾的产生，实时监测线路的用电情况，防患于未然是必要的。本设计利用交流多功能通讯模块、WIFI模块和LPC2138设计了家用线路的用电安全监测系统，实现在手机终端上对线路上的电流、电压、功率以及电量的实时监测。通过串口，LPC2183连接了交流多功能通讯模块和WIFI模块之间的数据传输，将交流多功能通讯模块采集到数据通过WIFI模块发送到手机终端上显示，同时也接收手机终端下发的指令。

    关键词：用电安全；监测；LPC2138；WIFI；串口通讯；电量

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.126

    0 引言

    随着当今社会信息快速发展，科技发展日新月异，安全检测为当前的生活创造了巨大的便利，已广泛应用于各个领域，如：智能交通监控、银行安保系统、航天航空、小区安防等，具有较大的研究价值与现实意义[1-3]。当前各种各样的家用电器，随着科技的发展走进了千家万户，我国的家庭用电量也在逐年的增加。由于许多家用线路存在着老化，超负荷的工作状态，用电安全事故时有发生，特别是夏天用电高峰期，给人民的财产和人身安全造成了严重的损失。本文针对家用线路存在的安全隐患，设计了基于wifi的用电安全实时监测系统，通过手机可以时刻查询当前家庭线路的工作情况。

    1 系统设计

    系统的硬件设计如图1所示。主控芯片采用LPC2138，实现对系统的管理与控制。主控芯片和手机端的通讯是通过WIFI模块来实现；与交流多功能通讯模块通过RS232串口来实现指令的下发和数据的采集。主控芯片接收手机发送过来的WIFI信号，识别相应的指令；然后发送相应指令给交流多功能通讯模块，获取相应的电压、电流、功率或电量。交流多功能模块接收到主控芯片下发的指令信号，采集家用用电线路的相应信息，然后通过串口RS232发送给主控芯片。主控芯片接到信号后，再将采集到的信号经过处理后通过WIFI模块发送给手机端。手机端接收到信号后在，于手机的APP上显示[4-6]。

    1.1 交流多功能通讯模块工作原理

    系统对家用线路的信号的采集是通过交流多功能通讯模块来实现的。如图2所示，交流多功能通讯模块能够实现当前电流、电压、电功率和电量的采集。通讯模块有四个输入端口，L和N作为连接家用电路的火线和零线，另外两个端子连接CT线圈。测量信号通过CT获取，传输给PZEM-004T测量模块进行处理，再通过串口RS232传输给STM32。STM32通过向交流多功能模块下发相应的命令，获取电流、电压、电功率或电量。图中左边下方的输出端口是TTL电平接口，与LPC2138的串口相连。端口由上到下分别为VCC，RXD，TXD，GND。VCC接+5V，GND接地，RXD接PLC2138的USART1中TXD1，TXD接PLC2138的USART1中RXD1用于串口通信。交流多功能通讯模块的传输波特率固定为9600bp/s，按照规定的内容和特定的方式进行通讯。通讯时，PLC2138发送给模块一串特定的十六进制数指令；模块识别后做出回应，并返回一串十六进制数；PLC2138根据通信规定解读返回的内容，得到想要的数据。该模块具有保存掉电前累计的电量的数据，也可通过按键清零电量[7-9]。

    1.2 主控芯片电路设计

    本系統设计的主控芯片采用了LPC2138，充分运用了芯片的USART0和USART1进行通讯。如图3（a）所示，USART0的TXD0端口对应着芯片的19引脚，RXD0端口对应着芯片的21引脚。USART0是与WIFI模块进行连接通讯，TXD0端口连接WIFI模块的RXD_TTL，RXD0端口连接WIFI模块的TXD_TTL。芯片的引脚33和引脚34分别对应USART1的TXD0端口和RXD0端口。如图3（b）所示，WIFI模块采用ESP8266芯片，引脚7和引脚8分别对用RXD_TTL端口和TXD_TTL端口，并用5.6K的电阻作为上拉电阻，用二极管MBR0520使信号传输具有单向传输性。

    2 系统程序设计

    如图4所示，系统的主程序流程前期工作主要包括相关变量的初始化，设置中断的优先级，启动系统的时钟，然后再分别对串口和WIFI模块进行初始化。程序的运行主要是通过判断用户发送的查询命令，LPC2138向交流多功能通讯模块发下发命令，当下发命令B0 C0 A8 01 01 00 1A，则是查询电压；当下发命令B0 C0 A8 01 01 00 1A，则是查询电流；当下发命令B0 C0 A8 01 01 00 1A，则是查询功率；当下发命令B0 C0 A8 01 01 00 1A，则是查询电量；交流多功能通讯模根据接受到的命令，按照通讯规定的内容发送相应的指令；LPC2138根据回复的数据，进行解析，经过处理后发送到手机终端上显示。

    在本设计中串口通信是本设计的核心，是连接整个系统数据传输的桥梁。串口的初始化，包括串口时钟是能，IO引脚模式的设置，串口参数的初始化，开始中断。USART0在串口参数的配置时，波特率都配置为9600；由于USART1连接的是WIFI模块，WIFI模块的串口频率是115200，即USART1的波特率都配置为115200。其他的串口参数设置都一样，字长配置为8位；停止位为1；无奇偶校验位；无硬件数据流控制；模式配置为收发模式。

    手机终端与WIFI模块之间的通讯时通过AT指令来实现的。WIFI模块的代码由初始化WIFI模块和操作WIFI模块这两部分组成。初始化WIFI模块时，选用AP模式，以WIFI模块作为热点，而手机连接热点进行通信，实现局域网无线控制。初始化的流程主要有，检查WIFI模块是否连接成功，选择AP模式，重启模块配置AP参数（端口号、对外的SSID号、加密方式、密码以及连接模式），选择连接模式并开启Server模式设置端口号。操作WIFI模块，主要操作有：对接收命令进行判断，发送交流多功能通讯模块能够识别的命令，并接收返回的数据，对数据进行解析，最后发送到手机终端。

    3 实验结果测试

    本系统测试实用2000W的吹风筒作为负载，进行数据采集。

    在手机终端上安装网络调试助手，采用TCP的传输模式，即应答方式，只有在接收到命令的时候才返回数据[10-11]。在系统设计中，以WIFI模块作为服务器端，手机终端作为客户端，在连接好WIFI之后，打开网络调试助手，选择图5中①的tcp client菜单，再点击图5中②区域的“增加”，就会弹出图中的消息框，输入要链接的WIFI模块的IP地址和端口号，设置好后点击消息框上的增加按钮，成功后即可进行数据的收发。图5中③是进行数据发送的输入窗口，图5中④是进行数据接收的接收窗口。在实验的过程中，WIFI模块初始化没成功或没完成都可能导致连接不成功，需要等待一段时间或复位LPC2138。

    如图6所示，图6中的（a）-（d）是分别是对电压，电流，功率，电量进行查询返回的结果。在数据发送的输入窗口中输入电压，电流，功率或电量，就可以查询家用线路中当前电路工作的相应信息。由于每个时刻家用线路的工作状态是不一样的，所以在手机终端上采集到的电压，电流或功率数据信息在不同的时刻可能不同，电量在不清零的状态下一直处于累加状态。根据功率公式P=UI可计算出，测量结果存在一定的误差，但误差在允许的范围内，系统工作正常，采集的数据也正确。

    如下图所示：

    本系统实验时选择同一个吹风筒进行实验。因为时间段不一样，所以测出的电压不同，导致功率与电流也不一样，根据P=UI可计算出，在误差允许范围内，数据采集基本正确，系统工作基本正常。

    在实验的过程中，因为电量是掉电不清零的，所以它的值是一直累加的。若想清零，可必须通过长按模块上的按键，以达到电量清零的目的。

    （下转第141页）

    （上接第148页）

    参考文献：

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    基金项目：韩山师范学院教学改革项目（HJG1620）

    作者简介：林科业（1985-），男，广东汕头人，硕士研究生，工程师，实验师，研究方向：智能仪器与应用，主要从事本科教学工作。