CN113467309A - 一种基于物联网的楼宇用电监控系统 - Google Patents

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钱承山
许岩
戴仁天
张丰际
沈有为
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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的楼宇用电监控系统，包括MCU微控制模块、NB‑IoT通信模块、用电采集模块、开关电路、云平台；用电采集模块并联接入室内总线，开关电路与室内总线相串联，NB‑IoT模块分别与MCU微控制模块和云平台通信。本发明成本低、易实现，可实时监控室内用电信息，保护用电安全。监控终端的采样电路、开关电路实现强电与弱电隔离，有较好的使用安全性。系统实现硬件集成，无需外接监测电路及开关电路，只需输入输出两个接口即可实现系统功能。系统关键部分均采用低功耗模块，实际使用中能节省较大电量开销，具有较高的使用寿命和性价比。NB‑IoT无线通信模块无需设计路由即能与基站通信，能较大地减少工程开发的麻烦。

Description

一种基于物联网的楼宇用电监控系统
技术领域
本发明涉及一种监控系统，尤其涉及一种基于物联网的楼宇用电监控系统。
背景技术
能源是人类社会发展的重要物质基础，关系到国计民生和国家战略竞争力。随着社会的进步，人们对能源的需求日益增多。然而随着城市化进程的不断推进，建筑面积在逐年增加，建筑能耗也随之大幅增长。
目前，市面上较为常见的能耗监控系统，大多采用智能电表配合总线的模式进行现场数据收集，具有精度高、抗干扰以及数据传输速度快等优点。然而，该模式下挂接电表的数量以及通信距离受线路电气特性限制，搭建包含大量节点的系统投入成本过高，不利于扩展。也有基于无线传感网络技术的楼宇能耗监控系统，通信模块使用较多的有ZIGBEE技术、射频技术、LORA技术等，组网部分分为监控节点、路由节点和协调器。当通信距离远时，往往需要增加多级中继器用来提高传输距离。并且当把所有分布的数据集中起来后，处理器还需再将这些数据通过GPRS、3G/4G无线网络发送到环境监察部门，如申请号为201820893665.3的实用新专利就具有无线通信模块设计复杂的问题。同时，这种分布式监控采集功耗大、成本高、现场施工具有困难。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种高集成度、低成本的基于物联网的楼宇用电监控系统。
技术方案：本发明的基于物联网的楼宇用电监控系统，包括MCU微控制模块、NB-IoT通信模块、用电采集模块、开关电路、云平台；用电采集模块并联接入室内总线，开关电路与室内总线相串联，用电采集模块与MCU微控制模块通过SPI方式通信连接，NB-IoT模块分别与MCU微控制模块和云平台通信。
进一步地，所述MCU微控制模块选用集成了电源装置、外部晶振、ADC采集、定时器的STM32L151C8T6单片机；具有功耗低、高性价比的特点。
进一步地，所述NB-IoT通信模块使用BC26芯片，BC26是一款高性能、低功耗、多频段的NB-loT无线通信模块。其尺寸仅为17.7mm×15.8mm x 2.0mm，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求。
进一步地，所述用电采集模块选用CS5463芯片。
进一步地，所述用电监测模块使用互感器对电压电流进行采样。
进一步地，所述采样的电路包括电压采样电路和电流采样电路。
进一步地，所述电压采样电路包括L1精密电流型电压互感器，所述互感器是先将电压转换为小电流，再等比将电流转换至负载，之后通过滤波等电路处理将电信号由VIN+和VIN-传输至CS5463芯片。
进一步地，所述开关电路使用光电耦合器MOC3021驱和晶闸管BTA41-800的组合，实现弱电控制强电，有较高的使用安全性。
进一步地，所述MCU微控制模块通过串口与NB-IoT通信模块连接。
进一步地，所述NB-IoT模块选择eDRX拓展非连续接收工作模式，通过设定eDRX周期来设置模块的休眠时间。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明成本低、易实现，可实时监控室内用电数据，保护用电安全。监控终端的采样电路、开关电路实现强电与弱电隔离，有较好的使用安全性。系统实现硬件集成，无需外接监测电路及开关电路，只需输入输出两个接口即可实现系统功能。系统关键部分均采用低功耗模块，实际使用中能节省较大电量开销，具有较高的使用寿命和性价比。NB-IoT无线通信模块无需设计路由即能与基站通信，能较大地减少工程开发的麻烦。
附图说明
图1是基于物联网的楼宇用电监控系统模块图；
图2是基于物联网的楼宇用电监控系统的工作流程图；
图3是监控终端电压采样电路；
图4是监控终端电流采样电路；
图5是监控终端开关电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的基于物联网的楼宇用电监控系统，包括MCU、NB-IoT通信模块、用电采集模块、开关电路、云平台。MCU选用STM32L151C8T6为微控制单元，该单片机集成了电源装置、外部晶振、ADC采集、定时器等外设，具有功耗低、高性价比的特点。NB-IoT模块使用BC26芯片。BC26是一款高性能、低功耗、多频段的NB-loT无线通信模块。其尺寸仅为17.7mm×15.8mm x 2.0mm，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求。MCU与用电采集模块通过SPI通信方式连接。用电采集模块选用CS5463芯片，该芯片可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。开关电路使用光电耦合器MOC3021驱和晶闸管BTA41-800的组合，实现如电控制强电，有较高的使用安全性。
用电监测模块使用互感器对电压电流进行采样，目的是隔离相对于控制电路电路来说较大的电压电流，保护电路的安全。采样电路具体分为电压采样电路和电流采样电路，电压采样电路如图3所示。该电路的核心为L1精密电流型电压互感器，其原理为先将电压转换为小电流，再等比将电流转换至负载，之后通过滤波等电路处理将电信号由VIN+和VIN-传输至CS5463芯片。在图3中，220L和220N代表火零线接入口，电压为220V。其输出电压计算公式为：
Figure BDA0003149460680000031
其中，Uo为输入电压，Ui为输出电压，R′为限流电阻，R为采样电阻。因CS5463芯片输入电压不能过大，故选R′为220KΩ，对应上图电路为R55和R1。R为110欧姆，对应上图电路为R2。本电路选取两个110KΩ电阻而不是一个220KΩ电阻，目的是两个电阻平分电功率，减少单个电阻发热。为了提高测量精度，选取精度为1％的电阻R2来减少测量误差。由于市电输入频率为50Hz，C2和C36电容滤除较高频和较低频信号减少干扰。为防止负载端短路，电路中串联接入电阻R4和R5。电流采样电路与电压采样电路相似，如图4所示。
开关电路模块的功能为通过MCU控制被控电路的通断，因此需串联至外部电路中。具体的电路如图5所示。为了保护弱电部分，使用U2光电耦合芯片和Q7可控硅对220V市电进行隔离。光电耦合器MOC3021驱动电流仅为15mA，作为微处理器一侧的光电隔离触发器。BTA41-800导通最大电流为40A，断电峰值电压800V，可完全适应220V市电的使用场景。
在正常工作时与MCU相连的PB12口为高电平，Q8导通，因此U2的1、2引脚间的发光二极管导通，致使6、4引脚导通。此时双向可控硅的控制引脚为高电平，Q7导通，目标监控区域通电。在MCU监测到违规用电或者云平台下发关断命令后，PB12口拉低，目标监控区域断电。
为了防止扰动信号影响可控硅的控制引脚，造成电路的误触发，设计了C7和R12组成滤波器滤除扰动信号，对可控硅的控制口进行保护。需要注意的是这一路并联在Q7两端的同时也串联在电源总线中，因此在正常工作时，这一路的电流不能过大，消耗的电功率不能过高。根据阻抗Z的计算公式：
Figure BDA0003149460680000041
其中Z为阻抗，R为电阻值，取R12为39Ω，C7为10nF，可得阻抗Z约为Ω，功率约为0.02W，符合实际应用需求。
使用时将房间的总线并联接入用电采集模块，模块即可采集到房间的电流、电功率等信号。信号转换为数据后将数据通过SPI的方式传输给单片机。单片机收到数据后对数据进行处理，将数据转换为电流和电功率，并判断电流与电功率是否超过设定的阈值，若超过设定的阈值的百分之十，则通过开关电路断电。
在装置运行时，单片机还可通过串口将用电数据发送给NB-IoT模块，NB-IoT模块再将用电数据传输到基站，基站将数据传输到云平台进行可视化显示和处理。NB-IoT模块可以选择eDRX拓展非连续接收工作模式，通过设定eDRX周期来设置模块的休眠时间，模块在休眠状态下不接收数据，较大地减少了模块的功耗。私有云平台在接收到数据后，可将用电数据处理为图标的形式进行展示，这样使用者能较为直观地看到目前用电量、历史用电趋势等数据。同时云平台具有下发指令功能，当使用者想在远程控制开关时可通过云平台下发指令，NB-IoT能接收到订阅的云平台的指令，将指令通过串口传输给单片机，单片机分析指令后可控制开关电路执行相应的操作。
下面对照附图，通过对装置的描述如各部分的作用及工作原理、操作方法等作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本专利的专利构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1、图2所示，本专利提供一种基于物联网的楼宇用电监控系统，本系统的工作原理是：将系统硬件部分进行组装，用电模块并联接入室内总线，开关电路与室内总线相串联，用电模块与单片机通过SPI方式通信。单片机与NB-IoT模块通过串口通信。系统上电后，首先进行各模块的初始化。初始化完成后，用电模块采集总线的电流数据，通过SPI传输给单片机，单片机接收到用电数据后，一方面，将数据打包，以JSON字符串的格式将数据通过串口传输给NB-IoT模块。NB-IoT模块与基站通信，最终将数据上传至私有云平台。云平台可以可视化地显示实时用电数据，同时将数据存入数据库中以备之后查询。用户可以远程登录云平台进行室内数据的监控，通过云平台下发打开电路或关闭电路的指令，通过基站将数据传输给NB-IoT模块，NB-IoT模块再将指令通过串口传输给单片机，单片机分析指令后对开关电路进行相应控制。NB-IoT模块可以选择eDRX拓展非连续接收工作模式，通过设定eDRX周期来设置模块的休眠时间，模块在休眠状态下不接收数据，这样较大地减少了模块的功耗。
另一方面，单片机接收到用电模块采集的用电数据后，将电流大小、电功率大小与设定的阈值相比较，如果两项指标均未超过阈值，则重复用电模块采集数据的步骤。如果两项数据中有一项超过阈值，但未超过阈值的百分之十，则在云平台上该项数据的实时显示会标红，提醒使用者减少室内用电器件的使用。如果两项指标中有一项超过阈值的百分之十，则单片机会控制开关电路自动断电，防止安全事故的发生。

Claims (10)

1.一种基于物联网的楼宇用电监控系统，其特征在于，包括MCU微控制模块、NB-IoT通信模块、用电采集模块、开关电路、云平台；用电采集模块并联接入室内总线，开关电路与室内总线相串联，用电采集模块与MCU微控制模块通过SPI方式通信连接，NB-IoT模块分别与MCU微控制模块和云平台通信。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的楼宇用电监控系统，其特征在于，所述MCU微控制模块选用集成了电源装置、外部晶振、ADC采集、定时器的STM32L151C8T6单片机。
3.根据权利要求1所述的基于物联网的楼宇用电监控系统，其特征在于，所述NB-IoT通信模块使用BC26芯片。
4.根据权利要求1所述的基于物联网的楼宇用电监控系统，其特征在于，所述用电采集模块选用CS5463芯片。
5.根据权利要求1或4所述的基于物联网的楼宇用电监控系统，其特征在于，所述用电监测模块使用互感器对电压电流进行采样。
6.根据权利要求5所述的基于物联网的楼宇用电监控系统，其特征在于，所述采样的电路包括电压采样电路和电流采样电路。
7.根据权利要求6所述的基于物联网的楼宇用电监控系统，其特征在于，所述电压采样电路包括L1精密电流型电压互感器，所述互感器是先将电压转换为小电流，再等比将电流转换至负载，之后通过滤波等电路处理将电信号由VIN+和VIN-传输至CS5463芯片。
8.根据权利要求1所述的基于物联网的楼宇用电监控系统，其特征在于，所述开关电路使用光电耦合器MOC3021驱和晶闸管BTA41-800的组合。
9.根据权利要求1所述的基于物联网的楼宇用电监控系统，其特征在于，所述MCU微控制模块通过串口与NB-IoT通信模块连接。
10.根据权利要求1所述的基于物联网的楼宇用电监控系统，其特征在于，所述NB-IoT模块选择eDRX拓展非连续接收工作模式，通过设定eDRX周期来设置模块的休眠时间。
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