基于物聯(lián)網(wǎng)的智能開關(guān)

【摘要】 智能保護(hù)開關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)單相電的電壓、電流、瞬時(shí)功率、功率因數(shù)、電能、漏電和過載等電力參數(shù)的即時(shí)測(cè)量，并監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫濕度狀況。該課題研究的是一種集監(jiān)控、保護(hù)、通信為一體，集成了漏電、過載等多功能保護(hù)，以加入手持端的開發(fā)和Android客戶端、結(jié)合ZigBee和WiFi通信技術(shù)為創(chuàng)新點(diǎn)，用戶可以隨時(shí)查看配電網(wǎng)用電狀況，并可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的智能保護(hù)開關(guān)。該設(shè)計(jì)是一種能滿足現(xiàn)階段及將來智能電網(wǎng)需求的較為理想的智能保護(hù)開關(guān)的解決方案。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；智能電網(wǎng)；Zigbee；遠(yuǎn)程控制

Intelligent Swich Based on Internet of things

Li Lei1，Lv Changzhi1 Shandong University of science and technology

Abstract：Intelligent protection switch monitor system with digital signal processing technology and Internet technology as the core， which can realize the voltage， current and the instantaneous power of the power grid， power， power factor， leakage and overload real-time measurement of electrical parameters and monitor the environment temperature and humidity conditions. The research is a intelligent switch which set of monitoring， protection， communication as a whole， to join the development of handheld terminal and Android client， the combination of ZigBee and WiFi communication technology innovation， the user can view the home energy use status at any time， and can be remotely controlled. This design is a kind of can meet the demand of present and future smart grid ideal solution of intelligent protection switch.

Keywords：power quality ；smart power grid ；zigbee ；remote control

引言

在國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃層面上，智能電網(wǎng)已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃的一部分。國(guó)家電網(wǎng)在2009年7月確定了智能電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃。2012-2015年為全面建設(shè)階段，加快特高壓電網(wǎng)和城鄉(xiāng)配電網(wǎng)建設(shè)，初步形成智能電網(wǎng)運(yùn)行控制和互動(dòng)服務(wù)體系；2016-2020年全面建成統(tǒng)一的“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”[1]。

在社會(huì)應(yīng)用層面上，隨著電子信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推進(jìn)，智能配電設(shè)備技術(shù)突飛猛進(jìn)，智能配電設(shè)備解決方案逐步向一次設(shè)備加上內(nèi)嵌的智能組件，完成包括測(cè)量、控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、計(jì)量、保護(hù)等所有功能發(fā)展[2-3]。目前民用電能監(jiān)控設(shè)備種類繁多，但大多價(jià)格昂貴，或功能較原始，不能滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代智能電網(wǎng)控制的需要[4]。該課題研究的是一種集監(jiān)控、保護(hù)、通信為一體，以加入手持端和Android客戶端的開發(fā)為創(chuàng)新點(diǎn)，適用范圍較廣的智能配電控制解決方案。

一、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要包括智能開關(guān)節(jié)點(diǎn)、手持端、Android客戶端和PC端四個(gè)部分，如圖1所示。智能開關(guān)應(yīng)用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)（電壓、電流、瞬時(shí)功率、功率因數(shù)）、電能及溫濕度的測(cè)量，每個(gè)智能開關(guān)上的Zigbee模塊都具有路由功能，能以最優(yōu)路徑將數(shù)據(jù)發(fā)送給手持端，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)開關(guān)的遠(yuǎn)程控制[5-6]。

手持端是一個(gè)可移動(dòng)的監(jiān)視和操作平臺(tái)，通過ZigBee通信與智能開關(guān)連接可方便用戶隨時(shí)查看用電情況，進(jìn)行監(jiān)控；另外由于手持端的加入，當(dāng)維修人員需對(duì)某處故障線路進(jìn)行斷電維修時(shí)，只需操作手中的手持端就可進(jìn)行開合閘測(cè)試，方便快捷。

每個(gè)智能開關(guān)上的WiFi模塊可以將數(shù)據(jù)通過路由器上傳到Internet云端服務(wù)器，用戶可以通過手機(jī)訪問云端服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)信息，也可以直接連接WiFi模塊本身信號(hào)直接獲取數(shù)據(jù)信息。

二、系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1智能保護(hù)開關(guān)

開關(guān)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，選擇V9401電能計(jì)量芯片，分別采集零序電流以獲得漏電信息，采集電流、電壓以獲得電能質(zhì)量信息，采集溫濕度以獲得開關(guān)工作環(huán)境信息，所獲信息以1.11寸LCD顯示，同時(shí)將該信息用Zigbee和WiFi技術(shù)無線發(fā)送給手持端或Android端，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換和控制[7]，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

零序電流傳感器感應(yīng)出輸電線路中的漏電流，接1K電阻，將漏電電流轉(zhuǎn)化成小電壓信號(hào)，該電壓經(jīng)過放大、濾波和精密整流電路后送MCU的ADC進(jìn)行裝換，獲得漏電電流的數(shù)字量后進(jìn)行處理與顯示[8]。

采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它以單總線數(shù)字信號(hào)傳輸，能精確檢測(cè)開關(guān)周圍環(huán)境溫濕度，在超溫、濕度過大時(shí)可以控制開關(guān)自動(dòng)斷電保護(hù)。

2.2手持端

移動(dòng)手持端結(jié)構(gòu)框圖如圖3（a）所示，集合MCU、LCD、鍵盤輸入、zigbee和與PC通信串口通信設(shè)備。手持端上設(shè)有四個(gè)按鍵用來對(duì)節(jié)點(diǎn)端控制和參數(shù)設(shè)置，如圖3（b）所示。

三、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括智能開關(guān)和手持端的C語言程序設(shè)計(jì)、PC上位機(jī)的VB語言設(shè)計(jì)和Android端APP設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

3.1 PC端

PC端上位機(jī)用VB語言編程實(shí)現(xiàn)，控制面板界面如圖5所示，界面分為通信參數(shù)與終端設(shè)置、開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)、閘刀遠(yuǎn)程操作信息三個(gè)模塊。

通信參數(shù)與終端設(shè)置模塊對(duì)與移動(dòng)手持端的串口通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)智能保護(hù)開關(guān)進(jìn)行選擇；開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)模塊包括各電力參數(shù)、開合閘狀態(tài)以及形象化的溫濕度顯示；刀閘遠(yuǎn)程操作模塊可以對(duì)指定終端進(jìn)行遠(yuǎn)程拉閘、合閘操作。

3.2 Android客戶端

Android客戶端采用Java語言，分為定位、登陸、功能顯示三個(gè)界面，如圖6所示。APP打開后軟件首先進(jìn)行自動(dòng)定位，并顯示當(dāng)前所在位置，選擇自己位置后進(jìn)入開關(guān)節(jié)點(diǎn)選擇列表，然后選擇我們需要查看的開關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入?yún)?shù)顯示界面和控制面板。

四、系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與分析

將儀器測(cè)的值設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)值，智能開關(guān)手持端上顯示的值為實(shí)測(cè)值，其結(jié)果如表1所示。

經(jīng)過實(shí)測(cè)，該系統(tǒng)所采用的Zigbee模塊在無障礙情況下通信距離可達(dá)兩公里；在生理實(shí)驗(yàn)室（一樓）和三樓樓道可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)測(cè)控，普通樓層之間通信距離能達(dá)三層，若各樓層都安裝該開關(guān)保護(hù)裝置并實(shí)現(xiàn)Zigbee的自組網(wǎng)和路由功能，完全可以勝任整棟樓的通信。

五、結(jié)論

目前，家用保護(hù)開關(guān)產(chǎn)品種類繁多，但都還停留在開關(guān)本身的多功能化上，忽略了當(dāng)今智能家居里的主體，即主人。該論文中針對(duì)這種現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出一款集電能計(jì)量、電網(wǎng)監(jiān)控、保護(hù)、通信為一體，并加入手持端和Android客戶端，結(jié)合ZigBee和WiFi通信技術(shù)的智能保護(hù)開關(guān)。該開關(guān)可以進(jìn)行漏電保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、火災(zāi)預(yù)警等自保護(hù)功能，各種保護(hù)閾值可以通過手持端設(shè)置，適用場(chǎng)合非常廣泛。經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證，效果良好。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]行業(yè)資訊>2014年智能電網(wǎng)市場(chǎng)分析.網(wǎng)絡(luò)http：//www.chinahyyj.com/hangyezixun/28715.html[2]蘇凱凱.智能配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].北京交通大學(xué)，2012：1-12.

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