虛擬家用電器電流參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　摘要：文中針對(duì)家用電器電流參數(shù)的研究，選用 STM32 單片機(jī)作為主控芯片設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用 BC417143 藍(lán)牙芯片完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信。上位機(jī)采用 LabVIEW 搭建監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可獨(dú)立監(jiān)測(cè)小功率電器、普通電器和大功率電器共 6 路家用電器的電流參數(shù)，能夠完成實(shí)時(shí)顯示、學(xué)習(xí)和存儲(chǔ)故障信息的功能。系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)家用電器的電流參數(shù)監(jiān)測(cè)，其性能完善、功能健全，滿足了現(xiàn)階段工程設(shè)計(jì)和開發(fā)的需要。

　　張安莉; 謝檬; 曾澤輝， 電子設(shè)計(jì)工程 發(fā)表時(shí)間：2021-10-20

　　關(guān)鍵詞：家用電器;虛擬儀器;LabVIEW;數(shù)據(jù)采集

　　人們?cè)谙硎苤悄苌畹耐瑫r(shí)，更趨向追求智能用電、節(jié)能用電和安全用電的生活方式[1-3] 。但目前所擁有電能計(jì)量的智能監(jiān)控設(shè)備并不健全，非專業(yè)人員無法僅僅通過電器耗電量得知家電是否正常工作，智能電器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以讓用戶實(shí)時(shí)掌控家中電器設(shè)備的工作狀態(tài)，便于用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，確保電器使用安全的同時(shí)，為用戶了解家電的具體耗電細(xì)節(jié)提供準(zhǔn)確的判斷依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。規(guī)范自身用電行為，調(diào)整用電習(xí)慣，對(duì)保證家電的健康使用和整體節(jié)能均具有重要意義。

　　家用電器的故障檢測(cè)與管理的觀點(diǎn)是美國在 1988 年提出的新思路，作用是協(xié)助檢修工人確認(rèn)故障發(fā)生的時(shí)間段，幫助人們熟知正常工作的家電時(shí)間[4-7] 。通過數(shù)據(jù)采集的方法獲取家用電器運(yùn)行狀態(tài)的 PHM 技術(shù)用于監(jiān)測(cè)家電故障和可能出現(xiàn)的意外情況[8-11] 。家用電器在日常使用中處于負(fù)載狀態(tài)，不僅會(huì)耗費(fèi)額外的電資源，而且存在嚴(yán)重的安全隱患[12-14] 。家用電器電流參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家用電器的工作狀態(tài)，以確保家用電器使用的安全性[15-16] 。文中所設(shè)計(jì)的虛擬家用電器電流參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選用 STM32 單片機(jī)作為主控制器完成數(shù)據(jù)采集的功能。上位機(jī)采用 LabVIEW 搭建監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可獨(dú)立監(jiān)測(cè)小功率電器、普通電器和大功率電器的電流參數(shù)，完成實(shí)時(shí)顯示、學(xué)習(xí)和存儲(chǔ)故障信息的功能。

　　1 總體方案設(shè)計(jì)

　　家用電器電流參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要分為系統(tǒng)配置模塊、遠(yuǎn)程斷電控制模塊、用電信息顯示模塊、超限報(bào)警模塊和歷史數(shù)據(jù)查看模塊。

　　1)系統(tǒng)配置模塊

　　系統(tǒng)配置模塊主要完成超限報(bào)警和串行通信設(shè)置功能。

　　2)遠(yuǎn)程斷電控制模塊

　　遠(yuǎn)程斷電控制模塊主要包括上位機(jī)控制和紅外模式控制功能。上位機(jī)控制就是在虛擬平臺(tái)上直接點(diǎn)擊運(yùn)行/停止按鈕來控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的啟停;紅外模式控制通過紅外接收探頭讀取控制內(nèi)容開啟上電/ 斷電命令。

　　3)用電信息顯示模塊

　　用電信息顯示模塊主要用來顯示監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)電器及其參數(shù)。

　　4)超限報(bào)警模塊

　　超限報(bào)警模塊通過檢測(cè)家用電器電流參數(shù)來判斷是否超限，若出現(xiàn)異常情況，則啟動(dòng)報(bào)警電路。

　　5)歷史數(shù)據(jù)查看模塊

　　點(diǎn)擊查看歷史數(shù)據(jù)按鈕，可以查看家用電器的ID、日期時(shí)間、操作內(nèi)容以及是否正常工作等主要信息。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　電流監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)主要模塊為 STM32最小系統(tǒng)控制模塊和藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信模塊。

　　2.1 STM32最小系統(tǒng)控制模塊

　　STM32 最小系統(tǒng)控制模塊電路圖如圖 2 所示，包括 STM32 主控芯片、電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和調(diào)試接口電路。電源轉(zhuǎn)換模塊為系統(tǒng)硬件電路正常工作提供保障，將家用 220 V 電壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)模塊所需要的直流電壓。

　　2.2 藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信模塊

　　藍(lán) 牙 數(shù) 據(jù) 通 信 模 塊 電 路 如 圖 3 所 示 ，包 括 BC417143 芯片、IM1117 電平轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)接收數(shù)據(jù)電路和單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)電路。藍(lán)牙芯片的工作電壓是 3.3 V，而主控芯片的輸出電壓是 5 V，故需要電平轉(zhuǎn)換芯片來保證藍(lán)牙芯片的正常工作。

　　3 軟件主程序設(shè)計(jì)

　　4 所示為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主程序流程，打開程序后，會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)的顯示界面。首先，進(jìn)行系統(tǒng)初始配置，設(shè)置額定電流參數(shù)的范圍。開始采集家用電器的實(shí)時(shí)電流參數(shù)，判斷實(shí)時(shí)電流是否在額定電流的范圍內(nèi)。如果超出額定電流的范圍，則超限報(bào)警模塊工作，啟動(dòng)報(bào)警電路，記錄異常值，然后進(jìn)入顯示模塊。如果實(shí)時(shí)電流在正常范圍內(nèi)，則直接顯示實(shí)時(shí)電流。

　　4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

　　電流參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前面板如圖 5 所示，主要包括查看與控制模塊、時(shí)間讀取模塊、報(bào)警模塊、狀態(tài)指示模塊和電流顯示模塊。查看與控制模塊包括串口號(hào)的選擇，COM 的串口選擇要按照實(shí)際連接的串口進(jìn)行選擇。

　　4.1 查看與控制模塊

　　查看與控制模塊在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板的正上方，包括運(yùn)行按鍵、停止按鍵、通信串口選擇、電器連接個(gè)數(shù)和數(shù)據(jù)保存路徑。當(dāng)點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開始正常工作。連接方式主要為藍(lán)牙串口連接，可以解決同時(shí)檢測(cè)多臺(tái)設(shè)備的問題;電器連接個(gè)數(shù)為 1~6 個(gè);數(shù)據(jù)保存路徑為 C:\Users\dell\Desktop\。當(dāng)點(diǎn)擊停止按鈕時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)停止工作，恢復(fù)初始界面。

　　4.2 時(shí)間讀取模塊

　　時(shí)間讀取模塊在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板的右下方，包括時(shí)間字符串和日期字符串。時(shí)間字符串 1 和日期字符串 1 是系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集電流參數(shù)的日期和時(shí)間數(shù)據(jù)。時(shí)間字符串 2 和日期字符串 2 是系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別硬件系統(tǒng)的時(shí)間并實(shí)時(shí)顯示到前面板。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的日期數(shù)據(jù)顯示格式為年/月/日;時(shí)間數(shù)據(jù)顯示格式為時(shí)/分/秒。

　　4.3 報(bào)警模塊

　　報(bào)警模塊在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板的左下方，以狀態(tài)指示燈的形式來顯示。超限報(bào)警燈 1~6 對(duì)應(yīng)電器 1~ 6，一對(duì)一報(bào)警。當(dāng)家用電器的工作電流在正常范圍內(nèi)時(shí)，指示燈處于熄滅狀態(tài);超出額定電流時(shí)，指示燈會(huì)被自動(dòng)點(diǎn)亮，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出警報(bào)。同時(shí)，超流時(shí)的數(shù)據(jù)和時(shí)間日期將存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

　　4.4 電流顯示模塊

　　電流顯示模塊在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板的正中間，包括電器開關(guān)按鍵、電器種類、工作狀態(tài)和電流顯示表。電器開關(guān)按鍵分別控制 6 種不同家用電器的運(yùn)行狀態(tài)。電器種類分為小功率電器、普通電器和大功 率 電 器 。 電 器 的 工 作 狀 態(tài) 分 為 運(yùn) 行 和 待 機(jī) 狀態(tài)。電流顯示表的單位為 A，電流表的量程范圍為 0~10 A。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電器 1 監(jiān)測(cè)小功率電器運(yùn)行的電流值;電器 2和電器 3監(jiān)測(cè)普通電器運(yùn)行的電流值;電器 4、電器 5和電器 6監(jiān)測(cè)大功率電器運(yùn)行的電流值。

　　5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試

　　5.1 小功率電器的測(cè)試

　　小功率電器的電流值范圍為 0~1 A。單獨(dú)測(cè)量小功率電器的電流監(jiān)測(cè)界面如圖 6所示。

　　當(dāng)電器 1 的開關(guān)按鍵打開，其余電器的開關(guān)按鍵處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的電器種類為小功率電器，藍(lán)牙通信串口為 COM12，此時(shí)前面板顯示電器的連接個(gè)數(shù)為一個(gè)，這時(shí)數(shù)據(jù)的保存路徑和地址為 C:\Users\dell\Desktop\，此時(shí)除小功率電器的工作狀態(tài)顯示正常運(yùn)行外其他的 5 種電器均處于待機(jī)狀態(tài)，狀態(tài)指示燈處于單次運(yùn)行狀態(tài)，日期字符串 1、2 與時(shí)間字符串 1、2 顯示分別為 2019/05/4、2019/05/4，08:56:16.000、08:59:05.037，超限報(bào)警指示燈處于熄滅狀態(tài)。從電流表 1 讀數(shù)得知此時(shí)小功率電器的工作電流為1.0 A，其余5種電器的電流表讀數(shù)均為0 A。

　　5.2 普通電器的測(cè)試

　　普通電器的電流值范圍為 1~3 A。單獨(dú)測(cè)量普通電器的電流監(jiān)測(cè)界面如圖 7所示。

　　當(dāng)電器 2、3 的開關(guān)按鍵打開，其余電器的開關(guān)按鍵處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的電器種類為普通電器，藍(lán)牙通信串口為 COM12，此時(shí)前面板顯示電器的連接個(gè)數(shù)為 2 個(gè)，這時(shí)數(shù)據(jù)的保存路徑和地址為 C:\Users\dell\Desktop\，此時(shí)，除普通電器的工作狀態(tài)顯示正常運(yùn)行外，其他 4 種電器均處于待機(jī)狀態(tài)。狀態(tài)指示燈處于單次運(yùn)行狀態(tài)，日期字符串 1、2 與時(shí)間字符串 1、2 顯示分別為 2019/05/4、2019/05/4， 09:07:24.020、09:10:08.046，超限報(bào)警指示燈處于熄滅狀態(tài)。從電流表 2 和 3 讀數(shù)得知此時(shí)兩種普通電器的工作電流分別為 2.0 A 和 2.6 A，其余 4 種電器的電流表讀數(shù)均為 0 A。

　　5.3 大功率電器的測(cè)試

　　大功率電器的電流值范圍為 3~10 A。單獨(dú)測(cè)量大功率電器的電流監(jiān)測(cè)界面如圖 8所示。

　　當(dāng)電器 4、5、6 的開關(guān)按鍵打開，其余電器的開關(guān)按鍵處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的電器種類為大功率電器，藍(lán)牙通信串口為 COM12，此時(shí)前面板顯示電器的連接個(gè)數(shù)為 3 個(gè)，這時(shí)數(shù)據(jù)的保存路徑和地址為 C:\Users\dell\Desktop\，此時(shí)除大功率電器的工作狀態(tài)顯示正常運(yùn)行外，其他的 3 種電器均處于待機(jī)狀態(tài)。指示燈處于單次運(yùn)行狀態(tài)，日期字符串 1、2 與時(shí)間字符串 1、2 顯示分別為 2019/05/4、2019/ 05/4，09:11:27.031、09:15:14.024，超限報(bào)警指示燈處于熄滅狀態(tài)。從電流表 4、5 和 6 讀數(shù)得知此時(shí) 3 種大功率電器的工作電流分別為 3.4 A、5.0 A 和 5.2 A，其余 3種電器的電流表讀數(shù)均為 0 A。

　　5.4 全部電器的測(cè)試

　　測(cè)量全部電器的電流監(jiān)測(cè)界面如圖 9所示。

　　當(dāng) 6 個(gè)電器的開關(guān)按鍵全部打開時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的電器種類為小功率電器、普通電器和大功率電器 3 種類型，此時(shí)藍(lán)牙通信串口為 COM12，此時(shí)前面板顯示電器的連接個(gè)數(shù)為 6 個(gè)，這時(shí)數(shù)據(jù)的保存路徑和地址為 C:\Users\dell\Desktop\，此時(shí)全部電器的工作狀態(tài)顯示正常運(yùn)行。狀態(tài)指示燈處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，日期字符串 1、2 與時(shí)間字符串 1、2 顯示分別為 2019/05/4、2019/05/4，09:30:42.057、09:32:96.052，超限報(bào)警指示燈 1、2、4~6 處于熄滅狀態(tài)，3 處于報(bào)警狀態(tài)。從電流表 1~6 讀數(shù)得知此時(shí)電器 1~2、4~6 的正常工作電流分別為1.0 A、2.0 A和3.4 A、5.0 A和5.2 A，而電器3超出正常工作電流(即3.0 A)，讀數(shù)為3.5 A。

　　5.5 系統(tǒng)的誤差分析

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的誤差分析見表 1，可以看出，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的電流參數(shù)的測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值。誤差分析的計(jì)算公式為：誤差=測(cè)量值-標(biāo)準(zhǔn)值|/標(biāo)準(zhǔn)值×100%，誤差范圍為 0.00%~0.2%。

　　6 結(jié)束語

　　LabVIEW 為現(xiàn)代化儀器儀表提供了良好的開發(fā)環(huán)境，利用虛擬儀器開發(fā)家用電器具有程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、開發(fā)周期短與結(jié)果顯示直觀等特點(diǎn)。本系統(tǒng)利用 LabVIEW 開發(fā)的虛擬家用電器電流參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初步完成了基本的功能，進(jìn)一步的研究需要在時(shí)間常數(shù)的選擇、PGA 程序控制、濾波器選擇與信號(hào)處理程序等方面加以完善，系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)家用電器的電流參數(shù)監(jiān)測(cè)，其性能完善、功能健全，滿足了現(xiàn)階段工程設(shè)計(jì)和開發(fā)的需要。