虚拟家用电器电流参数监测系统的设计
摘要：文中针对家用电器电流参数的研究，选用 STM32 单片机作为主控芯片设计监测系统，使用 BC417143 蓝牙芯片完成数据的实时通信。上位机采用 LabVIEW 搭建监测平台，可独立监测小功率电器、普通电器和大功率电器共 6 路家用电器的电流参数，能够完成实时显示、学习和存储故障信息的功能。系统经过测试，可以实现家用电器的电流参数监测，其性能完善、功能健全，满足了现阶段工程设计和开发的需要。
张安莉; 谢檬; 曾泽辉， 电子设计工程 发表时间：2021-10-20
关键词：家用电器;虚拟仪器;LabVIEW;数据采集
人们在享受智能生活的同时，更趋向追求智能用电、节能用电和安全用电的生活方式[1-3] 。但目前所拥有电能计量的智能监控设备并不健全，非专业人员无法仅仅通过电器耗电量得知家电是否正常工作，智能电器工作状态监测系统的实现可以让用户实时掌控家中电器设备的工作状态，便于用户及时发现问题，确保电器使用安全的同时，为用户了解家电的具体耗电细节提供准确的判断依据和数据支持。规范自身用电行为，调整用电习惯，对保证家电的健康使用和整体节能均具有重要意义。
家用电器的故障检测与管理的观点是美国在 1988 年提出的新思路，作用是协助检修工人确认故障发生的时间段，帮助人们熟知正常工作的家电时间[4-7] 。通过数据采集的方法获取家用电器运行状态的 PHM 技术用于监测家电故障和可能出现的意外情况[8-11] 。家用电器在日常使用中处于负载状态，不仅会耗费额外的电资源，而且存在严重的安全隐患[12-14] 。家用电器电流参数监测系统可以实时监测家用电器的工作状态，以确保家用电器使用的安全性[15-16] 。文中所设计的虚拟家用电器电流参数监测系统，选用 STM32 单片机作为主控制器完成数据采集的功能。上位机采用 LabVIEW 搭建监测平台，可独立监测小功率电器、普通电器和大功率电器的电流参数，完成实时显示、学习和存储故障信息的功能。
1 总体方案设计
家用电器电流参数监测系统结构如图 1 所示，主要分为系统配置模块、远程断电控制模块、用电信息显示模块、超限报警模块和历史数据查看模块。
1)系统配置模块
系统配置模块主要完成超限报警和串行通信设置功能。
2)远程断电控制模块
远程断电控制模块主要包括上位机控制和红外模式控制功能。上位机控制就是在虚拟平台上直接点击运行/停止按钮来控制监测系统的启停;红外模式控制通过红外接收探头读取控制内容开启上电/ 断电命令。
3)用电信息显示模块
用电信息显示模块主要用来显示监测的各项电器及其参数。
4)超限报警模块
超限报警模块通过检测家用电器电流参数来判断是否超限，若出现异常情况，则启动报警电路。
5)历史数据查看模块
点击查看历史数据按钮，可以查看家用电器的ID、日期时间、操作内容以及是否正常工作等主要信息。
2 硬件电路设计
电流监测控制系统主要模块为 STM32最小系统控制模块和蓝牙数据通信模块。
2.1 STM32最小系统控制模块
STM32 最小系统控制模块电路图如图 2 所示，包括 STM32 主控芯片、电源电路、复位电路、时钟电路和调试接口电路。电源转换模块为系统硬件电路正常工作提供保障，将家用 220 V 电压转换为各个模块所需要的直流电压。
2.2 蓝牙数据通信模块
蓝 牙 数 据 通 信 模 块 电 路 如 图 3 所 示 ，包 括 BC417143 芯片、IM1117 电平转换芯片、单片机接收数据电路和单片机发送数据电路。蓝牙芯片的工作电压是 3.3 V，而主控芯片的输出电压是 5 V，故需要电平转换芯片来保证蓝牙芯片的正常工作。
3 软件主程序设计
4 所示为监测系统的主程序流程，打开程序后，会进入系统的显示界面。首先，进行系统初始配置，设置额定电流参数的范围。开始采集家用电器的实时电流参数，判断实时电流是否在额定电流的范围内。如果超出额定电流的范围，则超限报警模块工作，启动报警电路，记录异常值，然后进入显示模块。如果实时电流在正常范围内，则直接显示实时电流。
4 监测系统前面板设计
电流参数监测系统的前面板如图 5 所示，主要包括查看与控制模块、时间读取模块、报警模块、状态指示模块和电流显示模块。查看与控制模块包括串口号的选择，COM 的串口选择要按照实际连接的串口进行选择。
4.1 查看与控制模块
查看与控制模块在监测系统前面板的正上方，包括运行按键、停止按键、通信串口选择、电器连接个数和数据保存路径。当点击运行按钮时，监测系统开始正常工作。连接方式主要为蓝牙串口连接，可以解决同时检测多台设备的问题;电器连接个数为 1~6 个;数据保存路径为 C:\Users\dell\Desktop\。当点击停止按钮时，监测系统停止工作，恢复初始界面。
4.2 时间读取模块
时间读取模块在监测系统前面板的右下方，包括时间字符串和日期字符串。时间字符串 1 和日期字符串 1 是系统实时采集电流参数的日期和时间数据。时间字符串 2 和日期字符串 2 是系统自动识别硬件系统的时间并实时显示到前面板。监测系统的日期数据显示格式为年/月/日;时间数据显示格式为时/分/秒。
4.3 报警模块
报警模块在监测系统前面板的左下方，以状态指示灯的形式来显示。超限报警灯 1~6 对应电器 1~ 6，一对一报警。当家用电器的工作电流在正常范围内时，指示灯处于熄灭状态;超出额定电流时，指示灯会被自动点亮，系统将会发出警报。同时，超流时的数据和时间日期将存储到数据库中。
4.4 电流显示模块
电流显示模块在监测系统前面板的正中间，包括电器开关按键、电器种类、工作状态和电流显示表。电器开关按键分别控制 6 种不同家用电器的运行状态。电器种类分为小功率电器、普通电器和大功 率 电 器 。 电 器 的 工 作 状 态 分 为 运 行 和 待 机 状态。电流显示表的单位为 A，电流表的量程范围为 0~10 A。当监测系统处于正常运行状态时，电器 1 监测小功率电器运行的电流值;电器 2和电器 3监测普通电器运行的电流值;电器 4、电器 5和电器 6监测大功率电器运行的电流值。
5 监测系统的测试
5.1 小功率电器的测试
小功率电器的电流值范围为 0~1 A。单独测量小功率电器的电流监测界面如图 6所示。
当电器 1 的开关按键打开，其余电器的开关按键处于关闭状态时，系统运行的电器种类为小功率电器，蓝牙通信串口为 COM12，此时前面板显示电器的连接个数为一个，这时数据的保存路径和地址为 C:\Users\dell\Desktop\，此时除小功率电器的工作状态显示正常运行外其他的 5 种电器均处于待机状态，状态指示灯处于单次运行状态，日期字符串 1、2 与时间字符串 1、2 显示分别为 2019/05/4、2019/05/4，08:56:16.000、08:59:05.037，超限报警指示灯处于熄灭状态。从电流表 1 读数得知此时小功率电器的工作电流为1.0 A，其余5种电器的电流表读数均为0 A。
5.2 普通电器的测试
普通电器的电流值范围为 1~3 A。单独测量普通电器的电流监测界面如图 7所示。
当电器 2、3 的开关按键打开，其余电器的开关按键处于关闭状态时，系统运行的电器种类为普通电器，蓝牙通信串口为 COM12，此时前面板显示电器的连接个数为 2 个，这时数据的保存路径和地址为 C:\Users\dell\Desktop\，此时，除普通电器的工作状态显示正常运行外，其他 4 种电器均处于待机状态。状态指示灯处于单次运行状态，日期字符串 1、2 与时间字符串 1、2 显示分别为 2019/05/4、2019/05/4， 09:07:24.020、09:10:08.046，超限报警指示灯处于熄灭状态。从电流表 2 和 3 读数得知此时两种普通电器的工作电流分别为 2.0 A 和 2.6 A，其余 4 种电器的电流表读数均为 0 A。
5.3 大功率电器的测试
大功率电器的电流值范围为 3~10 A。单独测量大功率电器的电流监测界面如图 8所示。
当电器 4、5、6 的开关按键打开，其余电器的开关按键处于关闭状态时，系统运行的电器种类为大功率电器，蓝牙通信串口为 COM12，此时前面板显示电器的连接个数为 3 个，这时数据的保存路径和地址为 C:\Users\dell\Desktop\，此时除大功率电器的工作状态显示正常运行外，其他的 3 种电器均处于待机状态。指示灯处于单次运行状态，日期字符串 1、2 与时间字符串 1、2 显示分别为 2019/05/4、2019/ 05/4，09:11:27.031、09:15:14.024，超限报警指示灯处于熄灭状态。从电流表 4、5 和 6 读数得知此时 3 种大功率电器的工作电流分别为 3.4 A、5.0 A 和 5.2 A，其余 3种电器的电流表读数均为 0 A。
5.4 全部电器的测试
测量全部电器的电流监测界面如图 9所示。
当 6 个电器的开关按键全部打开时，系统运行的电器种类为小功率电器、普通电器和大功率电器 3 种类型，此时蓝牙通信串口为 COM12，此时前面板显示电器的连接个数为 6 个，这时数据的保存路径和地址为 C:\Users\dell\Desktop\，此时全部电器的工作状态显示正常运行。状态指示灯处于连续运行状态，日期字符串 1、2 与时间字符串 1、2 显示分别为 2019/05/4、2019/05/4，09:30:42.057、09:32:96.052，超限报警指示灯 1、2、4~6 处于熄灭状态，3 处于报警状态。从电流表 1~6 读数得知此时电器 1~2、4~6 的正常工作电流分别为1.0 A、2.0 A和3.4 A、5.0 A和5.2 A，而电器3超出正常工作电流(即3.0 A)，读数为3.5 A。
5.5 系统的误差分析
监测系统的误差分析见表 1，可以看出，系统监测的电流参数的测量值和标准值。误差分析的计算公式为：误差=测量值-标准值|/标准值×100%，误差范围为 0.00%~0.2%。
6 结束语
LabVIEW 为现代化仪器仪表提供了良好的开发环境，利用虚拟仪器开发家用电器具有程序设计简单、开发周期短与结果显示直观等特点。本系统利用 LabVIEW 开发的虚拟家用电器电流参数监测系统初步完成了基本的功能，进一步的研究需要在时间常数的选择、PGA 程序控制、滤波器选择与信号处理程序等方面加以完善，系统经过测试，可以实现家用电器的电流参数监测，其性能完善、功能健全，满足了现阶段工程设计和开发的需要。