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。
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)
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。
2.1STM32最小系統(tǒng)控制模塊
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220V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
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3.3V，而主控芯片的輸出電壓是5V，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)
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)
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0~10A。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0~1A。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1.0A，其余5種電器的電流表讀數(shù)均為0A。
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。
參考文獻(xiàn)：
[1]彭璐佳,張莉萍,黃勃,等.基于STM32的車載智能風(fēng)扇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng),2018,37(12)：76-78,82.
[2]王巧寧.基于LabVIEW平臺(tái)的建筑室內(nèi)能量傳遞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2020,28(10)：60-64.
[3]劉晶杰,聶磊.貝葉斯電流分解:利用單個(gè)傳感器感知家用電器電流[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2018,55(3)：662-672.
[4]劉方,林素敏,單魚洋.基于LabVIEW的農(nóng)業(yè)微環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2019,27(5)：91-95.
[5]申斌,張桂青,汪明,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表,2013,28(2)：6-10.
[6]劉滿喜,謝再晉,潘佳卉,等.基于STM32單片機(jī)的智能滅火小車設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2020,28(13)：108-112,118.
作者：張安莉，謝檬，曾澤輝
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