基于物联网的智能三相电表设计

乔凌霄，刘泽禹，丁宇，樊泽，韩佳鑫

(山西能源学院电气与控制工程系，山西晋中，030600)

0 前言

随着我国工业技术的现代化，越来越多的工业设备开始与物联网技术结合并迸发出巨大的市场和潜力。工业中大部分的交流用电设备（例如：发电机、电动机等）都采用三相交流电。为了得知三相电设备的工作情况，引入了电气二次设备——三相电表。在我国，经过数十年的发展，三相电表从原来的机械式发展成了目前最广泛使用的数字式。但随着工业技术的发展，传统的数字电表已经无法满足企业对二次设备高效、快捷、无人值守的需求，因此，我们结合物联网据技术，设计了一款三相电表，它可以同时检测三相交流设备中电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数角等40多项参数，也可以将检测到的参数绘制成图表，以便操作人员查看。同时，该设备还具有储存功能，当三相电设备断电时，检测装置仍能保存三相电设备的各项参数。除此之外，该设备还能通过网络，与操作人员进行交互，操作人员可以通过手机等终端远程查看设备的各项参数，以便及时查看三相电设备的工作情况[1-3]。

1 总体设计方案

图1为物联网的智能三相电表的系统框图，利用ATT7022E三相电计量芯片及其外围电路获取三相电设备中A、B、C、(N)相的相关参数并保存在芯片寄存器中。用户通过触摸屏向主控芯片STM32F103RBT6发送不同的控制指令，STM32F103RBT6主控芯片读取ATT7022E三相电计量芯片寄存器中的相应数据后显示在LCD显示屏上，并通过网络发送到服务器中以便用户在移动设备上操作智能电表。该系统包括三相电读取模块、核心控制模块、触摸显示屏模块、物联网模块及其外围网络设施。三相电读取模块负责将高压三相电模拟信号（Anolog-signal）转换为低压数字信号（Digital-signal），核心控制模块负责多任务处理，将相应的数据转化为用户能读取的信息并通过触摸显示屏模块与用户交互，物联网模块及其外围网络设施负责实现物联网功能，通过打包为json消息，利用MQTT协议与公网服务器连接，方便远程控制[4]。

图1 总体方案设计图

2 硬件系统设计

2.1 三相电读取模块模块设计

图2为ATT7022E测量芯片及其外围电路，本设计采用的ATT7022E三相电计量芯片，通过SPI总线与主控芯片进 行数据通信，通过串联一个小电阻在SPI信号线上，来减少干扰或抖动。这个电阻与IC输入端的寄生电容C相结合起来可组成一个Low-passfilter，可以消除SPI接口信号上的任何振荡，本次用电阻为100Ω。通过在输入端加一个外接电容（10pF左右），可以增加数字输入端的内部电容。图3为电压测量电路，该电路采用电压互感器，并通过电阻降低成比例降低至芯片所能承受的电压范围，图4为电流测量电路采用电流互感器将模拟信号发送至测量芯片。图5为PCB设计图，图6为实物图[5]。

图2 ATT7022E测量芯片及其外围电路

图3 电压测量电路

图4 电流测量电路

图5 PCB设计图

图6 测量模块实物图

2.2 核心控制模块模块设计

本项目采用图7所示的主控模块STM32F103RBT6，该主控性能强大，功耗低，满足三相电表的各项需求，通过SPI总线连接测量芯片，并读取其寄存器中的数据。并且能利用I2C总线与图8所示的AT24C02储存器来存放测量的数据[6]。

图7 STM32F103RBT6控制器

图8 AT24C02储存器

2.3 物联网模块及外围网络设施

对于物联网部分，我们选用了当今最为流行的ESP8266物联网模块，ESP8266是一种专用于嵌入式系统的无限高保真网络模块，通过串口与STM32F103RBT6主控芯片连接，内置TCP/IP协议，可以与Wi-Fi网络连接，实现联网的功能。本项目的使用的云服务器为中国移动OneNET，OneNET是一个开放并易于开发物联网开放平台。通过平台将测量设备接入云端，通过开发部署，能在线查重设备数据于在线状态和异常状况[7]。

3 软件系统设计

主控系统的软件流程部分如图9所示，程序在Keil5下开发，通过模块化分解，将一个大程序按照功能划分为若干个小程序模块程序，将具体的问题抽象化，使得程序设计更加简单、直观，这样不仅使程序易于编写而且扩展性大大增强，将程序中经常用到的一些功能编写成通用函数，做到随调随用。极大的缩短了开发周期。软件部分采用了LittlevGL图形框架，它是一个免费的开放源代码图形库，它不仅提供创建嵌入式GUI所需的一切功能，还可以实现一定的多任务处理功能。

图9 程序流程图

4 结论与展望

目前占据市场的电路测量工具为普通电表，仅仅具有单个测量的功能，智能电表打破了普通电表测量的功能，具有十分超前的竞争优势。而当今的企业不只局限于此，他们更追求智能化、简单化、低耗能、低消费，而智能电表符合企业的需求，确实能够实现智能化、简单化、低能耗，从而实现低消费。由智能电表所能够激发的产业链更是数不胜数，如三相电参数测量表。对于智能电的推广和普及，我们应该不断努力来突破技术瓶颈和完善市场营销体系，让智能电表更低价，更普及，更惠及广大企业。图10为产品运行图。

图10 产品运行图