张萃珍
（江西机电职业技术学院，江西南昌，330013）
0 引言
随着现代科技的进步和人均收入的提高，人们的生活质量的要求也逐渐提高，与之相伴的是每个家庭的用电量也逐年递增。随着家庭用电的普及率上升，导致供电需求越来越多，负荷急剧上升，因此合理的利用控制能源才能减少能源损耗，减少污染，保护环境，人人有责。在现代能源节约型社会，降低能源消耗是非常重要的。并且家庭电费持续增长，这关系到人们的切身利益。我们可以通过对各种用电设备工作状态的控制，来实现对家庭用电的管理，从而减少资源的浪费并能提高各种设备的使用寿命。
原始的家庭用电管理，只能看到一天或一个月使用了多少电，而不清楚用电的具体情况；每个家庭用户都是通过与电网公司月结时才能知道本月总共使用了多少电花费多少钱，而这些费用是怎幺构成的却没有清楚的认识，大多数居民只能大概的根据平时的用电的经验来判断来管理家庭用电，没有合理的用电方案，缺乏科学性。其次，随着各种家庭用电设备的出现，用户根本无法判断每个设备的集体消费情况从而无法建立一个家庭用电的管理方案。另外，现在的用电设备只能近距离操作而不能远程控制，也给用户用电管理带来了困扰。因此加强各用户家庭的用电智能管理是未来的发展趋势，家庭智能用电管理分析仪是未来新的发展方向。
1 系统整体设计分析
■1.1 系统设计思路
本文设计的智能家庭用电分析控制仪，以STM32作为主控MCU，实现对电压电流数据的采集并且，实时显示用电数据包括电流、电压、功率等，并存储在SD中。通过wifi模块收发数据，接收安卓APP的指令，根据指令控制继电器实现对用电设备的用电控制，通过安卓APP设置做插座定时控制，并且断电保存。同时带有TFT液晶显示屏，实现对智能家庭用电分析控制仪的状态信息的实时显示。
■1.2 硬件总体结构设计
智能家庭用电分析控制仪设计的硬件结构主要由STM32F103RCT6主控芯片、电流采集电路、电压采集电路、WIFI模块接口电路、继电器控制电路、SD卡接口电路、TFT液晶接口电路以及电源电路组成。智能家庭用电分析控制仪的系统框图如图1所示。
图1 系统总体结构图
各模块电路及作用如下：
(1)STM32主控模块：包括STM32F103RCT6，晶振电路，复位电路，SWD程序下载接口等。STM32主控模块是控制系统的核心部分，工作电压基本保持在2.0~3.6伏的范围内，芯片内部集成电压调节器，将外部供电电压转换为1.8V低压供给芯片电压使用。STM32的作用是控制系统的其它部分电路实现对应的功能。
(2)存储芯片电路：SD卡接口电路，作用是实现对用电数据包括电流、电压、功率数据的存储。SD卡有两种操作模式，一种是SD模式，一种是SPI模式。在本设计中采用了SPI模式，连接在STM32的SPI1口上，SD卡的供电电压为3.3V，直接与STM32接在同一个电源下即可。
(3)电压电流采集电路：利用电流采集电路和电压采集电路实现对电器用电电压和电流的采集。其中电压和电流数据都是交流电压和交流电流，交流电压数据的采集采用了先整流再分压然后滤波的方式进行交流电压的采集检测。电流采集部分采用了ACS712电流采集芯片来实现电流的采集，ACS712是利用霍尔感应原理设计的一款交流电流信号采集芯片，当电流流过ACS712的信号采集端时会产生一个磁场，其内部通过放大滤波以及校正斩波实现对电流信号的采集。
(4)WIFI模块接口电路：利用WIFI模块实现智能家庭用电分析控制仪和安卓APP的数据交互传输，实现控制和数据显示的功能。本设计中利用ESP8266-12F WIFI 模块实现WIFI数据交互传输控制的功能实现，ESP8266-12F WIFI 模块是安信可公司生产的高性能的串口 WIFI 模块，其使用串口通信的方式显示WIFI数据的传输，而配置方式则采用常用的AT指令实现，工作电压为3.3V，通过串口通信完成数据交互。
(5)TFT液晶接口电路：实现对智能家庭用电分析控制仪的状态信息的实时显示。采用了2.4寸的TFT液晶屏，利用ILI9341 控制器进行液晶驱动显示，只需要利用单片机对其进行驱动控制即可。
(6)继电器控制电路：开关控制器采用了继电器对外部电器设备进行驱动控制，继电器使用三极管进行驱动就可以很好的完成通电以及断电的功能完成，通过通断电完成对外部电器设备的驱动控制，一次达到控制电器设备开关的功能。
系统硬件原理图如图2所示。
图2 系统硬件原理图
■1.3 软件程序设计
本设计使用STM32F103RCT6单片机为主控芯片，利用ILI9341 对TFTLCD液晶屏进行驱动控制显示，利用STM32内置的ADC采集电压电流信号并通过液晶进行实时显示，并且将电压、电流和功率数据实时存储在SD内部，并通过WIFI上传至安卓APP中进行显示，实时等待WIFI传输的控制指令完成包括控制用电设备，定时控制用电设备等指令操作，具体程序流程图如图3所示。
图3 程序流程图
2 测试结果与分析
将本文设计的智能家庭用电分析控制仪上电,液晶显示屏显示当前所采集用电器的实时电压值、电流值、功率值、SD卡容量和可用容量。当没有连接用电器时，也就没有电压电流功率值。当输入指令DIANLIK时，继电器打开，并开始采集用电器数据，本设计有专门的电压采集电路和电流采集电路部分，所采集的数据存储在SD卡中，并每隔一分钟通过WiFi部分实时发送到手机控制端，手机APP处可显示数据。输入指令DIANLIG时，继电器关闭。发送指令MODE0，设定时间TIMESET012600，接着发送指令比如MODE1O0127X0128，继电器会在01时27分打开，28分关闭，进而达到控制用电器开关的目的，演示效果如图4所示。
图4 雨滴传感器原理图
图4 定时开关电路演示图
手机APP控制端实时显示用电器当前用电数据，电压值、电流值、功率值。我们通过APP就可以知道当前用电器的用电情况，可以了解到用电器的耗电情况，进而我们可以对用电器定时开启和关闭，可以有效地避免电力的浪费。APP控制端显示如图5所示。
图5 光敏传感器原理
图5 APP控制端数据显示图
3 总结
本文设计的智能家庭用电分析控制仪主要针对家用电器所产生的用电数据以及开关进行实时的检测以及控制。减少了资源的浪费并能提高各种设备的使用寿命。设计整体结构小巧，成本较低，所选用元器件价格相对较便宜，操作方便灵活，具有一定的可推广性。
