基于云电表环境的用电安全智能监控与诊断系统设计和实现 电气工程专业

摘要随着人们生活水平的提高，居民住宅内的各类用电器越来越多，室内供电线路也越来越复杂。学生宿舍中许多同学无视学校纪律，使用电水壶、电热锅等大功率违禁电器。这些现象在给人们带来便利的同时，也产生了很多安全隐患，比如电气火灾、人身触电等。室内用电安全隐患和环境安全隐患对人们的生命和财产安全造成了极大的威肋，也会给社会带来难以估计的经济损失。因此，室内用电保护监测和诊断成为人们普遍关注的话题。目前室内用电安全保护装置多为低压断路器，即人们常说的空气开关，当线路电流过载时就会自动断开，这种设备功能比较单一，对许多不容易被发现的用电隐患无能为力。本文从全新的角度出发，依托传感器技术、计算机网络技术、嵌入式技术等物联网相关技术，设计了室内用电安全监测面向大数据应用的室内安全监测智能系统。采用了基于电流波形采集与分析的负载电力特征参数提取算法，除了可以监测短路、过载等即时性安全隐患外，借助目前迅速发展的云计算处理方法，还可以对家庭电路进行持续性状态分析，旨在解决不容易被常规电路保护装置发现的潜在危险，为每个家庭提供一种室内供电线路电流提取、分析计算的安全监控装置。本课题对于提升普通住宅、学生宿舍、酒店宾馆等场所的安全监控效果具有重要意义，另一方面，也是将物联网技术和大数据处理方法运用于居民用电安全监测诊断领域的一次全新探索。关键词：用电安全；云计算；电路分析；智能监控诊断系统AbstractWiththeimprovementofpeople'slivingstandards,therearemoreandmoretypesofelectricalappliancesinresidentialhouses,andindoorpowersupplylinesarebecomingmoreandmorecomplex.Manystudentsinthedormitorydonotregardschooldisciplineanduseelectrickettles,electriccookersandotherhigh-poweredcontrabandappliances.Whilethesephenomenahavebroughtconveniencetopeople,theyhavealsocreatedanumberofsecurityrisks,suchaselectricalfiresandelectricshocks.Indoorelectricitysafetyhazardsandhiddendangerstotheenvironmenthavecausedgreatthreatstopeople'slivesandpropertysafety,andtheyhavealsobroughtincalculableeconomiclossestothesociety.Therefore,monitoringanddiagnosisofindoorelectricityprotectionhasbecomeatopicofcommonconcern.Atpresent,indoorpowersafetyprotectiondevicesaremostlylow-voltagecircuitbreakers,whicharecommonlyreferredtoasairswitches.Whenthelinecurrentisoverloaded,theywillbeautomaticallydisconnected.Thistypeofdevicehasarelativelysinglefunctionandisincapableofpowerfailuresthatarenoteasilydetected..Thisarticlefromanewperspective,relyingonsensortechnology,computernetworktechnology,embeddedtechnologyandotherthingsrelatedtotheInternetofThings,designedindoorelectricitysecuritymonitoringforlargedataapplicationsforindoorsecuritymonitoringintelligentsystem.Theloadpowercharacteristicparameterextractionalgorithmbasedoncurrentwaveformacquisitionandanalysisisadopted.Inadditiontotheabilitytomonitorshort-term,overload,andotherreal-timesecurityrisks,withthecurrentrapiddevelopmentofcloudcomputingprocessingmethods,itisalsopossibletoperformcontinuousstatusanalysisonhomecircuits.Designedtosolvepotentialhazardsthatarenoteasilydetectedbyconventionalcircuitprotectiondevices,eachhomeisprovidedwithasafetymonitoringdeviceforcurrentextraction,analysisandcalculationoftheindoorpowersupplyline.Thistopicisofgreatsignificanceforimprovingthesafetymonitoringeffectofordinaryhouses,studentdormitories,hotelsandotherplaces.Ontheotherhand,itisalsoanewexplorationofapplyingtheInternetofThingstechnologyandbigdataprocessingmethodstothefieldofresidentialelectricitysafetymonitoringanddiagnosis.Keywords:electricitysafety;cloudcomputing;circuitanalysis;intelligentmonitoringanddiagnosticsystem目录摘要 IAbstract II1.绪论 11.1课题研究的背景和意义 11.2课题研究现状与发展趋势 21.2.1用电安全检测技术 21.2.2用电安全监测的发展趋势 31.3系统结构框架 32.相关理论 52.1电力故障诊断方法 52.1.1基于专家系统的诊断方法 52.1.2基于Petri网络的电力系统故障诊断 72.1.3基于遗传算法的电力系统故障诊断 82.2故障电弧断路器 92.2.1故障电弧分类及特点 92.3.2故障电弧检测方法 113.系统总体架构与功能设计 113.1系统总体架构 113.2WIFI无线传输技术 123.3GPRS无线数传模块 143.4LoRa通信模块 153.5通讯服务器技术 163.5.1通讯服务器的技术要求 163.5.2技术难点分析 173.5.3异步通信的优势 174.硬件设计 194.1单片机最小系统模块 194.1.1单片机的选用 194.1.2时钟模块硬件电路 204.1.3复位电路 214.1.4单片机晶振电路 224.2外接采集节点模块电路 234.2.1显示电路设计 234.2.2键盘电路的设计 254.2.3电器故障报警模块 264.2.4片外程序和数据存储器 274.3电能计量电路设计 284.3.1电流采集模块 284.3.2功率/电能测量电路 304.3.3电压测量电路 304.3.4继电器控制模块 314.4环境传感模块 334.5系统外部通讯模块 334.5.1RS-485通信总线 334.5.2串行通信电路设计 345.软件设计 355.1程序C语言编写 355.2统软件总设计 355.3电能脉冲采集程序 365.4通讯中断子程序 375.5其他子程序 385.5.1电能计算模块 385.5.2需量计量模块 395.5.3负荷记录模块 406.软件功能 426.1数据传输与云存储 426.2客户端APP软件设计 446.2.1功能单元设计 446.2.2软件程序设计 466.3客户端APP软件实现 466.3.1用户登录 466.3.2个人中心 487.测试分析 497.1网络通信性能 497.2系统软件测试 517.2.1用户登录与注册 517.2.2电压功率分析 517.3系统整体测试 528.总结与展望 538.1总结 538.2展望 54参考文献 551.绪论1.1课题研究的背景和意义安全是人类社会永恒不变的话题。人类社会发展至今，除了遭遇过各种自然灾难、疾病之外，还随时面临着很多由人类自己制造的危险。许多先进技术的诞生，在给人们带来便利的同时，也带来了一些安全隐患。电能在19世纪开始被人们利用，随着远程输电网络的全面铺开，电力进入了居民家庭、工厂企业等。因为有了电能，社会各个方面都有了长足的发展，人们的生活水平也因此不断提高，对生活条件的要求也越来越高。这些变化在每个家庭住宅中体现最为明显，各种各样的家用电器陆续出现，并逐渐进入人们的日常生活中，如电冰箱、洗衣机、电水壶、吹风机等等，这些电器极大的方便了人们的生活，但是在一定程度上也给人们带来了安全隐患。比如人体触电事故、用电器发生故障引起火灾等，除此之外，室内供电线路短路、电线绝缘包皮破损、老化等也可能会引起触电和火灾的发生。根据公安部消防局的不完全统计，近几年全国发生的所有火灾事故中，电气类火灾占到了1/3，其中居民家庭或集体公寓由室内用电引发的火灾占很大比例，由此可见室内用电安全的重要性。在家庭用电安全方面，目前断路器、空气开关等电路保护装置的使用在居民家庭中己经非常普遍，这些装置能够在线路发生短路、电流过载时切断电源，从而避免触电和火灾的发生，保护居民人身和财产安全。环境安全方面，随着传感器技术的发展，各种各样的环境检测装置也开始陆续出现在普通家庭中。但是，目前的用电安全保护装置和环境检测装置都是互不相干的两类产品，人们需要单独进行安装使用，导致使用成本偏高。并且就目前的用电保护装置而言，只能粗暴地解决即时性安全问题，如线路电流过载时会立即切断总电源，而不能进行更深入的用电安全分析，功能比较单一。室内用电安全正在逐渐成为威肋、人们家庭生活的两大问题，目前市场上的用电保护产品在功能和便利性方面己经无法满足人们的需求，迫切需要研发全方位的室内安全监控产品，这对于保护人们生命安全和财产安全有非常重要的意义。1.2课题研究现状与发展趋势1.2.1用电安全检测技术室内用电安全隐患主要集中在电气火灾和人身触电两方面。引起电气火灾的原因主要有线路过流或短路、电弧或电火花、接触不良等，其中，过流或短路会使线路电流迅速增大以致超过线路载荷而引起发热;接触不良会导致接触电阻增大，接触面产生高温;电弧或电火花能够在比较低的电流下产生高温。人身触电是人体由于各种原因接触到供电线路，电流在电网、人体和地面三者形成回路所致。国内目前一般使用低压断路器来保护室内用电安全，它的核心构件是一种脱扣装置，通常是利用某种物理效应，通过触发电磁装置的动作驱动机械机构来切断供电线路。例如，当线路过载或短路时，线路电流瞬间增大，发热量猛增，双金属片或者其它热敏组件发生变形，达到一定程度时会推动控制机构动作。这种断路器的最大缺点是控制机构的动作时间受电流影响，电流越大，其动作时间越短。但是，在发生故障电弧时，由于线路电流有时比较小，不能达到断路器的切断条件，因此，这种保护方案有一定弊端。与国内相比，欧美等国家在智能用电保护方面的研究起步较早，市场上的相关产品也比较先进。目前除了低压断路器外，居民更多使用一种智能电弧断路器，它是一种专门检测故障电弧的保护装置。这种智能电弧断路设备融合了当下的传感器技术、计算机技术和微电子技术等前沿技术，使用了微控制器作为控制核心，传统的电磁脱扣部件被精密的传感器元件和电子电路取代，实现了故障电弧的判断和断路功能。除此之外，还有利用剩余电流来防止电气火灾的保护装置，它是依据流入用电器的电流与流出用电器的电流相等的原理，通过监测流入大地或者电路外部的泄露电流来判断。纵观电磁式断路器和智能电弧断路器的基本原理，无论利用物理效应还是传感器等技术，本质上都是对线路中电流大小的判断，这种判断方法虽然简单有效，但功能非常单一，存在很多的局限性。从目前分析，主要存在下面几点不足：（1）只能对室内供电线路的总电流进行监测，无法确定具体的故障来源;（2）导致线路产生电弧的原因有很多种，很多情况下产生的电弧是正常电路状态，并不会引起安全隐患，比如大功率用电器突然接入，这难免会导致误判;（3）用电安全监测过于单一，缺乏对线路电流特征的分析，无法远程监控，并不是真正的智能电器。1.2.2用电安全监测的发展趋势随着测量技术、传感器技术、通讯技术等物联网相关技术的发展，室内安全监测产品的发展呈下面两个趋势:（1）智能化。得益于微处理器技术的发展，会有越来越多的用电安全保护设备以微型芯片作为控制“大脑”，具有复杂的分析、处理能力。（2）网络化。在传统互联网的基础上，随着物联网的诞生和发展，室内监控设备将组成复杂的监控网络，用户可以远程对家中用电状况和环境信息进行实时监控。用电保护方面，目前市场上己经开始出现智能用电保护装置，如南京某公司最近开发的智能微型断路器，它在传统使用的微型断路器上增加了通信控制功能，使得电压、电流等电力参数可以远程监控，实现了传统断路器向信息化、网络化和智能化的升级换代。室内用电监控产品如果有了这些物联网特性，除了基本的用电保护外，还可以实现很多附加的功能，如远程抄表，智能监控设备定期自动抄表，并上传到云端，云端结算后直接汇总至银行，对用户执行扣款操作。综上所述，室内安全监测系统的各个模块搭建过程中值得借鉴的设计框架和技术路线。而大数据是室内安全监测系统采用物联网开发思路后的产物，利用大数据处理方法中的各种数据处理手段可以做到传统监测设备无法实现的更加复杂的功能，能够从时间和空间上有效的提升室内安全监测的水平。1.3系统结构框架室内安全监测智能终端的硬件设计依据数据流的传输过程自下而上来划分，可以分为三层:传感层、处理层、传输层，传感层是电流检测、环境检测等传感器模块;处理层即以AT89C51微控制器为核心的数据处理模块;传输层主要就是以太网卡电路。从每个模块的不同功能来划分，又可以划分成硬件电路设计框图(图3.1)中所示的几个主要模块。(1)AT89C51微处理器。这是智能终端的“大脑”，负责接收来自传感器的检测数据，将模拟电流信号转换成数字信号，检测数据的预处理，控制网络数据编解码、收发，以及液晶屏显示内容的推送。(2)霍尔电流互感器采样电路。该模块是用电监测功能的核心，用于对线路电流波形进行采样，通过霍尔电流互感器，用电线路中的交流电流信号被转换成连续的线性直流电压信号，采样电路的设计与电流采样精度密切相关。(3)多种环境传感器。终端集成了温度、湿度、噪声等传感器，用于监测室内多项环境数据。(4)TFT触摸显示屏。这是用户与智能终端交互的一个窗口，显示屏上可以实时显示当前室内的用电电流、功率以及各项环境数据，同时，用户也可以通过显示屏自带的触摸功能修改终端工作状态，比如切换供电线路等。(5)以太网卡。室内用电监测数据和环境监测数据会通过以太网实时传输至云端，网络数据的传输离不开网卡，网卡连接互联网，是终端与云端的物理连接，负责数据帧的收发以及封包、解包等。(6)电源稳压电路。电源电路为智能终端提供稳定的工作电压，电源电压的稳定性关系着AT89C51中A/D转换器的精度，继而影响着线路电流的采样精度。3.1硬件电路设计框图2.相关理论2.1电力故障诊断方法2.1.1基于专家系统的诊断方法专家系统是利用专家推理的方法来解决计算机模型中的问题，在故障诊断中得到越来越多的应用。目前，将该方法用于电力系统故障诊断中得到了较好的结果。专家系统是在故障诊断中应用最早的一种方法。专家系统其中是一种特殊的计算机系统，它是在知识库的基础上研究的，它拥有某些特定的领域内的知识和专家的建议经验等，他可以模拟出专家在这一领域的想法，从而对问题进行自己的判断，并得出相应的相对准确的推论。它的主要特征是它存在一个知识库，专门存放特定领域的相关的知识，有了这样的一个知识库，就可以进行相对准确的对问题进行解答推理了。这个系统对知识有一个原始的表示形式，这些形式都是以形式化的符号为基础的。所以，该系统有非常强大的处理符号的能力，并且还有相当强大的逻辑能力，在电力系统的故障诊断中是经常使用的一种方法。专家系统是人工智能技术的一种方法。该系统中拥有大量的特定领域的专业知识和特定领域的相关知识的建议，它就是通过这些知识和经验来进行相关领域的研究与判断的，这个系统主要是模拟专家的想法，解决问题的思路，决策问题的过程。该系统主要是解决非常复杂需要相关专业知识的问题。专家系统在很多年之前就在电力系统故障诊断用进行应用，最早提出在电力系统中应用的是一个日本的科学家，他将首次将专家系统应用在了电力系统中，并取得了较好的研究成果，随后各国科学家都开始在这一方面进行了研究，都得到了较成功的实验结果，致使专家系统研究的越来越深入，解决了大量的电力系统故障的案例。虽然专家系统在电力系统故障诊断方面有较好的应用，也解决了很多电力故障问题，但该系统仍然存在很多的缺陷:（1）专家系统在ES的应用中，如何获取知识是所有的研究人员共同面临的严重的问题。如何更方便的、更具体的、更明确的获得相应领域的专家知识，是构造一个完整的ES系统必须要考虑的重要的方面。获取完整的知识库是专家系统研究中最难解决的问题，这一问题严重限制了电力系统故障诊断的未来的发展趋势。（2）专家系统的知识库有非常庞大的信息数据储备，从中搜索需要的推理数据、在知识库中匹配相应的信息规则，才能解决相应的故障问题。但是由于知识库中的信息非常多并且复杂搜索速度就会非常的慢。而在实际的应用中该系统内存在的规则只有几百条。（3）ES成功的关键与其它技术有所不同，该系统主要技术是知识的表达方式和构造质量，在该特定区域的专业知识和专家如何对专业知识进行具体的转化从而来形成比较完善的只是储备库，这些技术是阻碍ES系统对故障诊断的关键。当然，知识库建立好之后，对其整理完善也是难点，如果整理维护不好可能会造成知识库中信息的混淆。（4）当电力系统中一些配置数据、结构参数、系统参数发生变动时，该系统中相应的知识储备库也要进行修改，与变动后的电力系统相对应，然而修改后的知识库规则与原来的知识库匹配不一致，这就需要重新进行规则校对，但是这种重新校对非常困难，需要耗费大量的时间，所以，电力系统一旦发生改变，专家系统就很难维护。（5）虽然专家系统是属于人工智能技术的范畴，但是该系统没有人工智能的学习能力，当发生新的故障时，如果知识库中没有进行该方面的储备，专家系统就不会对该故障进行诊断。（6）ES系统的会存在误断的情况。在故障发生后，电力系统的相关设备可能会发生错误的动作，但是，该系统不能识别出这些设备发生了错误的动作，仍然去知识库中寻找错误动作的诊断方法，这就会使对故障进行错误的判断。虽然基于专家系统的电力系统故障诊断进行了多年的研究，而且随着计算机网络的发展、计算机技术的发展以及相关部门越来越重视的程度，使该系统的结构配置也发生了一些改变，在知识库中获取信息的能力也越来越强大，该系统的主要发展目标是越来越简单化但是判断能力越来越强大，诊断率越来越高。但是该系统的实现原理没有发生改变，所以，该系统仍然面临很多技术上的难题，缺点仍然存在。现阶段ES在电力系统故障诊断方面仍然存在以下难题:（1）在进行故障诊断前需先建立故障匹配模型。与采集数据的难度类似，进行故障匹配难度系数也是非常大的，当发生的故障与建立的模型不一致时，就会得到错误的诊断结果。（2）该系统的故障推断由跳闸断路器到故障发生的地方。可是故障发生的设备可能比较多，只有通过大量的信息才可以，这样就很难推断。2.1.2基于Petri网络的电力系统故障诊断Petri网络是由国外的科学家C.A.Petri于1962年在他的博士论文中提出的，他在文章中首次将通信系统用网络来进行拟合，并且研究出了一种可以广泛使用的数学模型，它是以有向图系统结构模型为根本，结合组合数学建模，而建立的系统模型不是实际的模型，而是一种抽象，这种抽象系统的形成是由矩形算法来表达的一种特殊的数学对象，这就是Petri网络开始形成的开端，由于该技术在实际应用中可以解决很多问题，后来就得以快速发展。现在人们所说的Petri网己经不再只是最初的模型，也指后来在此模型的基础上不断发展的模型。Petri网对故障诊断的分析既可以是静态的，也可以是动态的，它不是分析单纯的某一个状态。该技术的主要目标是对整个配置系统的内部结构和结构变化后相对应的动态分析，对电力系统中在同一时间产生故障，按照顺序产生故障或者循环的产生故障的所有的行为进行不同的分析，不用担心当故障发生时周围的物理和化学等问题，只关注这种改变发生时条件是如何变化的和最后对整个系统有什么影响。所以Petri网是研究动态信息模型的有力的工具，对电力系统故障的诊断有很大的帮助。电力系统的故障是一个典型的离散的状态，并且这是一个非静态的系统，而故障是由系统中电压的不同以及系统装置的不同动作反应的，系统故障的解决正是在解决故障时所有的动作组成的，故障的先后与具体的系统是密切相关的。非静态的事件包括各种系统故障，这些故障由不同装置的产生以及不同的信息数据产生，这些故障的产生都是实时的、非静态的，所以电力系统的故障诊断可以通过Petri网络来解决。Petri网对故障诊断有其独特的优势:Petri网建立的模型不是很复杂，所表达的物理信息也是很清楚的;Petri网的结构、系统配置、故障位置的描述都可以通过用图形的方式来表达;与其他系统不同的是，该系统不需要知识储备库，不需要收集过于复杂的数据信息，这就在系统维护方面更加容易;系统中故障的非静态状态是用矩形分析算法来表达的，这种算法简单易实行，不需要大量复杂的信息库，不需要复杂的模式匹配，不需要寻找全局最小值，方便易行;该系统有较好适应能力，容错能力，当故障发生时，不需要对整个系统进行大的变动，只需要稍微改变就可以;该技术寻找故障的速度比较快，适合实时故障诊断。Petri网可以解决系统配置结构和非静态事件的主要问题，用图形的方式来解决故障的发生，这样就能很好的解决这种顺序活动的故障，电力系统的故障本来就是非静态的实时的一个行为，所以就可以通过Petri网来解决电力系统中的各种复杂的故障。但是，这种方法也不是万能的，仍然存在一些难以解决的问题:(1)在故障诊断时一般是以Petri网为根本，在加上错误伴随矩阵C，通常用一定的专业技术得到这个C矩阵，这个矩阵不是自己本身生成的，而是需要提前准备得到的这个矩阵，得到这个矩阵的过程不是容易的，需要做大量的计算才可以得到;(2)在实际的故障诊断应用中，获得的复杂的信息是不确定的，具有很强是实时性，而该技术允许犯错的能力不是很强大，这与专家系统非常相似，在Petri网建立故障模型时，会出现信息的溢出;(3)初级的Petri网不能解决对时间特征有很多需求的故障，所以如果遇到大型的系统出现故障时，或者故障发生的元件、配置较多时，初级的Petri网是不能解决的，需要更高级别的Petri网，而高级别的Petri网又是复杂的，难以实现的。Petri网在解决电力系统故障时，物理思路非常明确，并且运用了大量的数学方法，建立相应模型，有很强的实时性特征[}ao}。但是对系统的维护不是唯一的、时间上也有误差，这就使得Petri网受到很大的限制，这就是这项技术在未来需要突破的首要难题。2.1.3基于遗传算法的电力系统故障诊断遗传算法(algorithmgenetic，也可以写为GA)是由国外研究者holland于1975年第一次开始研究的，这个算法的灵感主要来源于生物学的研究模型。GA是以Darwin优胜劣汰思想和Mendel遗传方法为根本，模拟自然界中各类物种的选择和繁衍的过程，探索在所有问题中的最优解的解决方法，它依据的是达尔文的生物进化学说，对物体进行生物学的原理来解决相应的问题，并使这些物体不断的繁衍，繁衍出新事物，在这些新事物中我们来寻找最优的物种，这就是遗传算法的主要思想。GA需要对要求得的解进行编码，但是这种编码不是随便的，必须符合一定的要求，按照一定的规则，这种规则是按照人类基因的排列顺序实行的，通过这种规则找出可行解，但是我们的目标是找到最优解，因为我们是按照遗传学的方法进行求解的，每个个体相互进行信息交流，这就更容易找到我们需要的结果，而不是部分极小值，我们在找出的所有可行解中通过自然选择的方法，不断优化，最终得到我们需要的整体最优解集或者得到部分最优解集。与其他的方法不同的是，GA对数学要求比较低，不需要建立复杂的模型，也不需要建立知识储备库，只需要通过遗传的方法就可以求得最优解，这就是GA能得到快速发展的最明显的亮点。GA之所以可以在优化方面判断电力系统的故障，是因为它可以依据不完整的数据得到结论，判断最终结果，不需要全部的数据来解决问题，这就是GA在电力系统广泛应用的重要原因。但是，任何技术都存在缺陷，GA也不例外，它虽然可以依据部分信息获得最优解，但是在复杂的系统模型中，最终的诊断结果不一定是正确的。因此，如何根据系统中发生的故障的特征去寻求最优解，如何保证系统的允许犯错的能力，是GA接下来要研究的重点。2.2故障电弧断路器美国在室内用电保护领域的技术比较领先，相比国内的低压断路器，美国己经在居民用电中强制要求使用故障电弧断路器，这是一种新型的用电保护设备，能够在线路发生故障电弧时切断供电，防止火灾发生。它的基本原理是基于线路电流的采样，将一个周期内的全部电流值的绝对值相加并求平均值，将此平均值与相邻周期的电流平均值相减，对多个周期的电流都进行上述计算，所得差值的累加结果与一特定阂值比较，当累加差值大于该阂值时，就认为产生了故障电弧。2.2.1故障电弧分类及特点相间短路、电流过载和接地故障是室内用电最常见的容易引发电气火灾的故障，目前市场上的大多数用电保护产品都是针对这些故障。然而，故障电弧作为另一种比较普遍的电气故障，目前的大部分监测产品还对其无能为力。故障电弧持续时间非常短，很小的电流就会释放出大量的热量，极易引发电气火灾。除此之外，瞬间产生的热量和燃烧容易灼伤人体皮肤，甚至导致重度烧伤。在室内居民用电中，故障电弧按照产生的方式可以分为串联故障电弧、线间电弧和线地电弧三种。串联故障电弧发生在一条输电线上，引发的原因可能是线路老化、破损或接触松动等，如图2.1(左)所示。线间电弧发生在两条电线之间，由于电线包皮破损而引起电弧短路，如图2.1(中)所示。线地电弧发生在电线与地面之间，由于线路接地故障导致，如图2.1(右)所示。图2.1故障电弧产生方式图2.2是几种故障电弧的电流波形图，从图中可以看出故障电弧电流的几个主要特征:①电流波形中存在高频噪声;②电流在某个半周期过后的过零点之前的一段时间内没有电弧电流;③发生故障电弧时，电流的变化速率明显升高;④故障电弧的电流分布于正常电流之间，有随机性。(a)电磁炉故障电弧电流波形(b)计算机故障电弧电流波形图2.2几种故障电弧的电流波形图2.3.2故障电弧检测方法目前国内外检测故障电弧的方法主要有3种:第一种比较直观，就是通过检测故障电弧发生时产生的物理现象，比如温度升高、有电火花、有声响等;第二种是对故障电弧进行数学建模，利用故障电弧的典型参量来加以识别;第三种方法通过分析故障电弧的电流波形变化特征来判断，这种方法相比前两种方法识别准确率更高。对故障电弧的电流波形变化特征进行分析的方法目前多采用AR(AutoRegressive，自回归)模型，这是一种线性预测模型。在X个数据己知的条件下，通过AR模型可以预测出X点之后的一些数据，其目的同插值法类似，都是为了增加有效数据个数。插值法是利用少数数据去递推插入多个数据，AR模型则是利用X个数据去预测后面的数据，这一点上二者有所不同。AR模型中参数的求解主要有Burg递推法、改进协方差法和自相关法三种方法，其中Burg算法与后两种方法不同，它并不是直接估算AR模型参数，而是利用先求解反射系数Km，再采用Levinson表达式求出AR模型参数。AR模型阶数在很大程度上影响着对信号的分析结果，阶数过高会导致频谱出现伪峰值，而阶数过低又会降低分辨率，导致频谱过于平滑。一般来说，使用三阶Burg算法求解AR模型参数会有比较良好的效果。3.系统总体架构与功能设计3.1系统总体架构本系统一共分为四个部分：用户端平台、后台处理系统、数据采集系统、智能电表采集终端。系统总体架构图如图3.1所示。1、智能电表采集终端，可以采用WIFI、GPRS、LORA、485等通信方式，主动上传数据到后台的数据采集服务器。2、数据采集系统，介于智能电表与后台主站之间，负责采集智能电能表上传的数据，采用不同的通信规约和通信方式的智能电能表所采集到的信息转换成符合接口规范的信息，提供并存储到网络数据库，同时用户端下发的各种控制命令信息也通过数据采集服务器提供给相应设备。3、后台处理系统，本系统的信息处理单元，接收数据采集终端上传的数据包，将数据包进行处理，得到终端号和实时电流信息，然后提取数据存储服务器中的特征值样本与待检测电流进行匹配度计算，通过匹配度分析是否出现危险用电情况。4、用户端平台，本系统为用户提供了三种类型的客户端，包括有：PC物业版本、智云APP（包括安卓版本及IOS版本）、智云网站（WEB）。图3.1系统总体基础架构图3.2WIFI无线传输技术WIFI是一种具有速度快、保真性好、接入方便等特征的无线网络通信技术，适合短距离传输。WIFI技术与传统的有线连接方式相比，具有布设方便、外型美观、容易扩展、投入较少等优点。随着移动终端的迅速崛起，WIFI技术在嵌入式设备的应用逐渐成为研究的重点。在链路层上，由于WIFI与以太网完全相同，所以一个WIFI发射器可以非常容易的嵌入到有线网络中去。针对以上的优点，本系统采用WIFI技术搭建一个传感器网络，实现了不同节点与网络层之间的无线传输功能。WIFI是基于IEEE802.11标准的无线通信技术。IEEE802.11标准对WIFI组网的组成部分和网络模型进行了定义。组成部分包括站点(STA)和接入点(AP)。网络模型包括IBSS模型、BSS模型、DS模型和ESS模型等。IBSS模型由两个或多个STA组成，不包括AP组件，不同STA之间直接通信。BSS模型通常由一个AP和多个STA组成，不同STA间的通信和资源共享必须通过AP中转实现。ESS模型是由若干个BSS模型互联形成的，该模型支持移动STA的漫游接入，有效简化WIFI网络的扩建。DS模型是在不同BSS网络互联的过程中形成的，该模型实现了在同一ESS中移动的STA在不同的BSS之间漫游功能。其体系结构如图2-2所示。图3.2IEEE802.11体系结构每一个BSS或者说WLAN(WirelessLocalAreaNetworks)都有一个唯一的标识，服务集标识(ServiceSetIdentifier，SSID)。不同的局域网之间通过唯一的SSID进行区分，同一个局域网中的所有组件都必须有相同的SSID。可见，SSID对不同局域网的划分以及同一局域网内不同组件的管理起到了关键的作用。综上所述，WIFI比起其他的无线通信手段具有更高的带宽，最高传输速率达到300Mb/s；WIFI具有更强的射频信号，在给定范围内数据传输速率更高，可靠性更高；WIFI的功耗更低，802.11n标准在功耗和管理方面进行了重大的创新，更符合当今时代节能的概念；WIFI具有超高的安全性，互联网是极具风险性的网络，身份信息、个人隐私、服务器等特别容易被攻击，WIFI的超高安全性可以使我们免遭毁灭性攻击。本系统利用WIFI无线通信技术进行传感器网络的搭建，还通过WIFI实现感知层与网络层的通信，最终将感知层的信息及时、准确的通过互联网传递给后台服务器。WIFI技术不仅在本系统中发挥重要的作用，而且对整个物联网行业的发展起到了非常重要的推动作用。3.3GPRS无线数传模块GPRS无线数传模块是一款内嵌GSM/GPRS核心单元的无线Modem，具有完备的电源管理系统，标准的串行\t"/item/GPRS%E6%97%A0%E7%BA%BF%E6%95%B0%E4%BC%A0%E6%A8%A1%E5%9D%97/_blank"数据接口。外观小巧，\t"/item/GPRS%E6%97%A0%E7%BA%BF%E6%95%B0%E4%BC%A0%E6%A8%A1%E5%9D%97/_blank"软件接口简单易用。可广泛应用于工业短信收发、\t"/item/GPRS%E6%97%A0%E7%BA%BF%E6%95%B0%E4%BC%A0%E6%A8%A1%E5%9D%97/_blank"彩信收发图片文件、GPRS实时数据传输等诸多工业与民用领域。GPRS无线数模块是针对工业级用户，采用GSM/GPRS网络为传输媒介，是一款基于移动GSM短消息平台和GPRS\t"/item/GPRS%E6%97%A0%E7%BA%BF%E6%95%B0%E4%BC%A0%E6%A8%A1%E5%9D%97/_blank"数据业务的工业级通讯终端。它利用GSM移动通信网络的短信息和GPRS业务为用户搭建了一个超远距离的数据输平台。标准工业规格设计，提供RS232标准接口，直接与用户设备连接，实现中英文\t"/item/GPRS%E6%97%A0%E7%BA%BF%E6%95%B0%E4%BC%A0%E6%A8%A1%E5%9D%97/_blank"短信功能，彩信功能，GPRS数据传输功能。图3.3GPRS无线数据传输模块图3.4LoRa通信模块LORA是LPWAN通信技术的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折中考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长\o"电池"\t"/a2017/0811/3164/_blank"电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。目前LORA主要在全球免费频段运行，包括433868915MHz等。具有远距离、低功耗(\o"电池"\t"/a2017/0811/3164/_blank"电池寿命长)、多节点、低成本的特性。LORA的优势：1.改善了接收的灵敏度，降低了功耗高达157db的链路预算使其通信距离可达15公里(与环境有关)。其接受电流仅10mA，睡眠电流200nA，这使得电池的使用寿命得到延长。2.基于该技术的网关/集中器支持多信道多数据的并行处理，系统容量大如LORAWAN的网络架构图所示，网关是节点与IP网络之间的桥梁(通过2G/3G/4G或者Ethernet)。每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信(假设每次发送10Bytes，网络占用率10%)，如果把网关安装在现有移动通信基站的位置，发射功率20dB(100mW)，那么在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右，而在密度较低的郊区，覆盖范围可达10公里。3.基于终端和集中器/网关的系统可以支持测距和定位LORA对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非传统的RSSI。而定位则基于多点(网关)对一点(节点)的空间传输时间差的测量。其定位精度可达5m(假设10Km的范围)。这些关键特征使得LORA技术非常适用于要求低功耗、距离远、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用，如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等应用和领域。3.5通讯服务器技术3.5.1通讯服务器的技术要求按照基于云电表环境的用电安全智能监控与诊断系统的设计方案，每个云电表作为一个独立的控制节点，可通过无线-3G/4G/GPRS网关终端，与统一接入服务（即通信服务器）建立连接，最终与后端系统进行交互。控制节点与后端的通信主要有以下特点：（1）控制节点数量多。（2）数据通信以255字节内的短帧通信为主。（3）数据通信频繁，定时通信与随机通信并存。（4）使用2G/3G/4G网络通信，存在网络不稳定的情况。（5）通信需保证准确及时，尤其是异常报警等。虽然UDP协议可以节省资源，降低服务器的压力，但是由于UDP协议在网络中，尤其是移动网络中存在不可靠、通信失败率较高的情况，因此在本系统设计中，服务端和控制节点双方采用TCP协议进行通信。TCP提供了安全可靠的流服务，其对计算机、网络资源的消耗是远远大于UDP协议的。对于配置较好的大型服务器，配备大量的内存（数十G至上百G内存），与高速的磁盘、网卡，再配合定制开发的服务器程序，是能同时支持百万级TCP连接的。但是在本系统中，为节省安装运营成本，拟采用普通低配置机器作为通信服务器，设计目标达到单机十万数量级的TCP连接。3.5.2技术难点分析首先通讯服务器需要解决的难点是资源消耗，TCP连接的建立、维持与释放，都需要较昂贵的计算、网络资源，一个经典通信服务器是使用进程模型的基于select的程序，它能在普通服务器上很好处理1K级别的并发吞吐量，但是它在2倍性能新服务器上往往处理不了2K级别的并发吞吐量。这是因为在策略设计不当时，大量操作的消耗和当前连接数n成线性相关，这直接导致单个任务的资源消耗和当前连接数的关系算法复杂度为O(n)。当服务程序需要同时对数以万计的连接进行I/O处理时，资源消耗会相当可观，这显然会导致系统吞吐量不能和机器性能匹配。其次高频度的通信容易产生网络峰值，而为了节省资源，几乎所有的路由器都会为其下管理的每个端口映射关系设置过期时间，如果过期时间倒数到0，则端口映射关系失效，该端口将被释放给其他连接使用。端口映射过期时间很短，一般的家用宽带路由器2~3分钟；在有线宽带运营商接入部分，过期时间≤2分钟；在无线移动网络运营商接入部分（例如GPRS连接）更加短，过期时间甚至不超过一分钟。为保证控制节点与服务器之间建立的连接不被回收，应用层需以较短间隔发送心跳帧，以保证通信通道的可靠。另外，路灯控制系统的数据传输特点，也决定了系统通信频度较高。这种状况往往造成了网络峰值的不定期出现（类DDOS）。再次就是在网络状况不佳的场景情况下，需要保证紧急数据的传输，无线移动网络存在信号不好网络拥塞的场景，在这种场景中，容易造成上传数据在缓存中堆积或者通信中断的情况。3.5.3异步通信的优势同步通信是一种应用广泛的，经典的，并且易用的通信方式。这里所提到的同步通信方式，体现在用户程序中是所有的操作都在一个线程内顺序执行完成。这种方式的缺点很明显：同步的通信操作会阻塞住来自同一个线程的任何其他操作，只有该通信操作完成了之后，后续的操作才可以继续进行。一个最明显的例子是在MFC的界面代码中，直接调用阻塞Socket，在Socket通信操作未完成时，整个界面都会因此而阻塞住没有响应，因此程序员不得不为每一个通信的Socket调用都单独建立一个线程。实际场景中使用“同步通信(阻塞通信)+多线程”的方式，性能的确有所改善，但是依旧存在问题。服务器端在每一个连接建立之后，启动一个新的线程/进程和接入端进行通信，线程的数量等于接入端的数量（在本系统中相当于接入无线-3G/4G/GPRS网关数量），同时，为了及时处理信息，这些线程都必须处于运行状态，系统不得不在所有可运行的线程之间进行上下文的切换。在高性能场景下，线程切换非常消耗资源。如果接入线程过多，会导致CPU时间片大部分用于切换线程，没有空闲时间片去执行线程体，从而造成服务器整体效率非常低下。由此可见，“同步方式”并不适用于本系统。异步通信方式体现在用户程序中，是当程序与外部的I/O设备，如硬盘读写、网络通信等，进行通信请求时，由于外部I/O的速率较低，因此程序不在线程内等待着I/O操作完成再执行后续代码，而是将这个请求交给设备的驱动程序去处理，此时线程便可以继续执行其它更重要事务而不用挂起，流程如图3.4所示。图3.4异步通信方式流程图从图中可以看到，异步通信方式有一个明显的并行操作的过程，而“同步”的通信方式是在进行I/O操作的时候，挂起主线程，等到I/O操作完成之后，主线程才能继续执行后续的代码，没有办法做到并行处理。由此可见，“异步”方式比“阻塞模式+多线程”的方式效率高的多。4.硬件设计4.1单片机最小系统模块4.1.1单片机的选用在AT89C51单片机控制器，低电压Atmel，随机存取记忆体，高性能CMOS84K闪存微控制器可以读取特殊的工作程序存储器和128字节的数据采集设备（RAM），使用Atmel的高密度非易失性内存技术和生产，以及标准的MCS-51命令。如果你继续芯片RST，高电平，单芯片复位周期。每次复位后，单片机程序将从第一个新的执行。本设计采用基于ARMCortex-M3内核的32位微处理器AT89C51F103VET6。该芯片属于“增强型”系列单片机，最高时钟频率可达72MHz，是同类产品中性能最高的一款。它自带512KB的闪存，64KB的SRAM，内置3个16位定时器和2个独立的看门狗定时器;此外还带有诸多的通讯接口，包括3个USART串行口，2个SPI接口，2个I2C接口，一个USB2.0全速接口等。内置的3通道12位高精度A/D转换模块配合DMA(直接内存存取)模块可以快速准确的对外部模拟电压进行转换并将转换数据发送给CPU处理。上述AT89C51F103VET6强劲的性能和充足的资源可以满足室内安全监测智能终端的多种数据采集、数据处理算法等功能的流畅运行。AT89C51F103VET6需要两个外部时钟源，一个8M主时钟源Y2，为单片机内部的执行机构和各种外设、接口提供时钟;另一个是32.768K的RTC时钟源Y1，为内部RTCCReal-TimeClock，实时时钟)模块提供时钟，用于实现精准的时间、日期等功能。Y1和Y2晶振旁边都有两个电容，它们用于辅助晶振起振。为AT89C51的时钟电路和复位电路，复位电路可以将AT89C51的内部寄存器恢复为默认值，使程序重新启动，图中复位电路分为上电自动复位和手动复位两个功能。按设计要求，只要小集成最小系统适用于小控制单元。单片机开发系统仿真只能是单片机。并没有为用户提供一般的最小系统。单片机系统硬件电路原理图如图4.1所示。图4.1最小系统图图4.2AT89C51单片机系统的硬件电路原理图4.1.2时钟模块硬件电路DS1302是高性能、低功耗的实时时钟芯片DS1302与单片机的连接，只有三线，三线SPI接口与CPU同步通信，一个或多个字节的数据传输的时钟信号的RAM。该系统以AT89C51为核心的，方便的设备，设备的设备数据发送和接收时钟脉冲，每个引脚需要8，16和预写操作命令的输入脉冲的系统。在这个系统中，用于在设计的水晶晶体的积极主动和主要的直流电源为2.3V。该电源系统时钟电路。该时钟电路是单片机最小系统中常用的系统时钟电路，因此该设计电路非常可行，稳定性也很好。图4.3时钟模块硬件电路图4.1.3复位电路在MCS单片机系列，如图4.4所示，广泛使用的电路在振荡周期为24个周期时执行上述操作。复位信号复位引脚RST信号，有效的，具有很高的电脉冲宽度，可以有效地实现自动或手动复位时钟22毫米12倍，理想的C7F理想的1K的电阻，R22米或更多，完成复位操作。图4.4复位电路随着时间的增加，电容电压值增加缓慢，和RST销上的电压逐渐降低，当RST销的电压值降至较低水平，单片机恢复正常，呼吁电动复位。4.1.4单片机晶振电路众所周知，单片机的正常运行离不开时钟元件产生的时钟频率。而常用的时钟元件为晶体振荡器，其产生的晶振是单片机所有指令正常执行的前提。这时的时钟电路需要外界的定时原件来加以辅助，外部原件可通过XT2的进出两个端口与电路连接，从而产生自激振荡。这个外部原件一般都是一个并联谐振电路，其中包含石英晶振和瓷片电容。其电路图如下4.5所示。图4.5单片机晶振电路4.2外接采集节点模块电路根据原理图该系统主要可分为键盘部分，显示部分和蜂鸣器4部分，每部分协调工作，来实现超速报警信号监测功能。4.2.1显示电路设计显示电路主要是通过键盘，实现转速里程表的各功能设定、现在的参数设定。常用的线和十六字的LCD1602液晶组件用在这里。我们使用龙邱提供检测装置清楚现在的环境指标的LCD1602表示。文字表示“八”显示字符代码和写入，通过文字的显示ram实现了。该模块采用了灵活的界面方式，操作指令简单，可以形成全中文交互图形的界面。与同类型的格子液晶显示模块比较，该模块的液晶显示方案更简单，模块价格也同样低于同一格子图案的液晶显示模块。液晶显示采用LCD1602，这样就算是在不使用计算机的情况下，控制系统系统也能正常运行，并且能具有直观的可视性。显示电路主要是通过键盘，实现转速里程表的各功能设定、当前参数等设定。下图是显示原理图4.6：图4.6LCD显示原理图本系统可以通过键盘来设置转速里程表数据状态，具有良好的人机交互功能。人机交互模块是用户从智能终端获取监测信息、控制设备工作状态的最直接的途径，人机交互模块分为终端输出和用户输入两部分。终端输出就是将智能终端采集、处理后的数据可视化的展示给用户，是室内安全监测数据的显示平台，因此一般为段式数码管、液晶显示屏等显示器件;用户输入是用户对智能终端进行状态设置的过程，比如配置网络参数、控制室内供电开关等，输入方式有按键、触摸屏等。室内安全监测智能终端的监测内容比较多，所以本设计采用了分辨率为320X480的3.5寸TFT彩色液晶作为显示器件，TFT显示屏是一种有源矩阵液晶显示器，是目前最好的LCD彩色显示器之一，它具有高响应度、高亮度、高对比度、宽色域等优点，能够显示丰富的图文并茂的内容，这种显示器件用于本终端中各种图标、监测数据的显示非常合适。使用的这款TFT显示屏的上方还集成了4线电阻式触摸板，这样可以将TFT显示屏与触摸板配合使用，实现触摸控制、参数输入的功能，省去了设计按键电路的麻烦，同时也使终端外观更加简洁，人机交互方式更加人性化。TFT显示屏内部有一个显示控制器ILI9325，LCD上的每个像素点对应显示控制器中的一个存储单元，所有存储单元可以看作一个存储器，因此，对LCD的控制方式就可以利用AT89C51单片机提供的FSMC总线，通过写入或读取显示控制器中的存储单元，就可以实现对显示屏工作模式、显示内容的设定。图3.9为显示电路和触摸控制电路原理图，J3为TFT显示屏和电阻式触摸板的组合模块，图中FSMC开头的引脚与AT89C51的FSMC总线的地址、数据和片选等信号相连，LCD_RST是LCD的复位引脚，图中右边的U3是一个功率输出管，用于控制LCD的背光亮度。电阻式触摸板由上下两层透明的阻性导体薄膜组成电阻网络，每层薄膜对外引出2条电极X+,X-或Y+,Y-，触摸板有手指按下时，两层导体薄膜会在接触位置发生接触，从而导致这4个电极的电阻值发生改变，因此通过计算4个电极的电阻值，即可计算出当前的触摸坐标。ADS7843是电阻式触摸板专用的坐标计算芯片，它内置一个12位的高精度A/D转换器，首先对4个电极的电阻值进行模数转换，然后使用差分方式，计算出触摸坐标。如图4.7所示，触摸板的X+,X-,Y+,Y-电极经ADS7843计算后，通过SPI总线将坐标数据传输给AT89C51。图4.7显示电路和触摸控制电路4.2.2键盘电路的设计按键是采用行列式键盘。按键控制电路采用八个按键开关，与单片机的PO口相连，八个键盘分别控制直流发动机的运行情况，其中P0.0控制发动机的开启和停止，P0.2控制发动机的转向，P0.4控制发动机加速，每按一次，速度增加一个等级，直到最高的速度等级[9]。P0.6控制发动机减速，若速度为最低等级，则速度保持不变，否则每按键一次，速度减少一个等级。用单片机的并行端口是1次看到它。看用队列模式键盘输入，P1线，PP1.7作为输出线，LCD显示每个键的0个F数。图4.8键盘硬件电路图4.2.3电器故障报警模块统可设定和检测用电线路的功率变化范围，实时监控用电线路的电量值，超出预设值可触发预警信息。报警模块主要有蜂鸣器和LED灯组成，本系统中的报警模块包括上位机监控中心报警和车辆里程控制器报警模块。蜂鸣器报警原理比较简单，蜂鸣器工作，单片机对IO口P2.0和2.1进行控制，这个模块在转速过高时候起作用。报警信号电路由单片机控制，该系统使用发光二极管和蜂鸣器报警，传感器检测发动机转速超过设定值时，响应单片机蜂鸣器报警。当MQ-7检测到信号，经ADC0809处理，传给单片机，单片机将P2.0和P2.1口输出低电平，LED灯亮达到报警的效果。报警电路如图4.9：图4.9蜂鸣器与单片机的接口电路图控制电路利用单片机送出数字量，单片机系统实时对输出电流进行监控，经过D/A转换转变成模拟信号，采用数字方式作为反馈调整环节。当单片机检测故障信号后，将通过软件使蜂鸣器发出报警信号。光报警电路采用发光二极管LED来实现，声音报警电路是采用蜂鸣器来实现的。4.2.4片外程序和数据存储器随着科学技术的发展，Flash那个程序消去，无线能力，读写速度快、单位容量低等优点，完全取代了EPROM是嵌入式系统中的地位。SDRAM单位空间容量大，价格又便宜又好。嵌入系统得到了广泛应用。那是为了发送时钟的频率[10]，时钟周期为50，内存的速度内存高，所以我们使用赛普拉斯CY7C1021V芯片，存储时间为33，数据率为十六，64K的容量。随机访问或通过逻辑电路数据随机存取。RAM的低32K的定义数据是0到0×8000×00007空间地址，高32K的定义是程序00××4的空间地址。图4.10是芯片外存储器的扩展。图4.10片外存储器扩展4.3电能计量电路设计4.3.1电流采集模块室内安全监测智能终端要实现用电安全监测的功能，首要问题是线路电流的采集。采集线路电流有两种方式，一种是侵入式，即传感器直接接入用电线路，通过检测流过传感器的电流来实现采集，这种方式比较直接，采集的电流波形更加准确、稳定，但是要对用电线路进行改造，安装不便。另一种是非侵入式，这是一种不直接接入用电线路的方式，只需将供电线路从传感器的感应孔穿过即可，传感器可以获取到线路的感应电流，从而实现电流采集，这种方式安装简便，采集精度也可以达到要求。综上所述，本设计采用了非侵入式的霍尔电流互感器BJHCS-LSP3作为用电电流采集的传感器。BJHCS-LSP3基于闭环磁平衡原理，能够测量直流、交流、脉冲以及各种不规则电流信号。它可以将电流信号转换成线性直流电压信号输出，具有精度高、功耗低、线性度好、易于安装等优点，而且有很强的电流过载能力。图4.3是线路电流采集电路图，图中为霍尔电流互感器，它的输出信号经过一个由LM3_58集成运算放大器组成的有源低通滤波器，该滤波器的作用是滤除线路电流的高次谐波分量，LM3_58的输出引脚与微控制器AT89C51的ADC输入引脚连接，用于直流电压到数字量的转换。图中下方的L1和C14组成低通滤波器，滤除纹波电压，为AT89C51内部的模拟电路提供稳定电压。U4是可控的精密稳压源，它的作用是为A/D转换电路提供准确的参考电压，以保证电流采集的准确性。图4.11电流采集电路该模块中，输入电流通过检测电路经过取样转为电流信号，其差分运放对电流方向进行识别，利用衰减电路将此信号调整为适合AD输入的电压值，这个电压范围为0-3V，最后经运放构成的缓冲器，把电压信号输入到无线节点模块的ADIN端。经过电流互感器的电流信号经过电流采样电路将电流信号转换为小电压信号输入到ATT7022B的电流通道输入引脚。同样以A相为例，电流采样电路由R101～106，C101，C102组成，差分输入。4.3.2功率/电能测量电路本次设计多功能电能表采样电阻R采用600μΩ锰铜电阻。CF为校验脉冲引脚，本次设计CF引脚脉冲频率测量功率和电能计量，CF输出频率由F乘以倍频系数获得，由SCF引脚输入逻辑电平决定。通过单片机计数器计量CF引脚脉冲个数，每计量3200个脉冲为1kW·h电能。为了在两个输入通道允许有一些超范围的信号进入，常用最大电压有效值和最大电流有效值的0.6倍作为两个通道的输入电压范围。功率/电能测量电路如图4.12所示。图4.12功率/电能测量电路4.3.3电压测量电路在本系统的设计中，单片机通过接收命令来控制高压熔断器的断开与闭合，采用的是气动控制，而且要保证每次控制动作都能完成。，电能表来不及保存电量，就会导致电量丢失。如果能及时检测到电网掉电事件，电能表就有足够时间在电网掉电瞬间保存电量。使进入到ATT7022B中的电流与电压的相角与被拾取的电路中的电压和电流的相角有轻微的偏移，导致测量数据不十分准确，本设计采用电阻分压的方法。三相电压、电流经过被拾取电路，变换成小电压、小电流作为ATT7022B的输入。电源进线为三相四线制，针对每相电压分相计量，通过调节电位器，当电压原边线圈输入的各相电压均为220V时，副边线圈两端电压恰好为1V。压力信号通过压力传感器转化后是一个微小的电压变化信号，所以本文采用LM324运算放大器来对信号进行放大。电能表检测到P1.7口电平由高变低且持续低电平时，会立即保存电量。所以要有一个多路A\D转换电路，压力检测电路如图4.13所示。图4.13电压采样4.3.4继电器控制模块在室内用电器或供电线路发生故障等紧急情况下，必须要及时切断供电线路，以防止火灾的发生。本设计中使用一个15A的继电器作为供电线路的控制部件，继电器的控制电压为5V，但是由于电流不足，无法用AT89C51的输出管脚直接驱动。图4.14为用电线路控制模块的电路图，室内供电线路分别接到A端子和B端子，继电器M2控制A,B端子的通断。继电器由一个9013三极管驱动，JDQ与AT89C51的一个通用IO连接，当JDQ为低电平时，三极管Q1处于截止状态，继电器两端因无电流通过而断开，A,B端子也断开;当JDQ为高电平时，三极管处于饱和态，5V电流经继电器和三极管流向GND，这时继电器闭合，A,B端子导通，室内供电线路接通。另外，当继电器由闭合状态切换到断开状态的瞬间，驱动引脚之间D1与D2之间会产生反向的感应电流，为了防止感应电压过高导致三极管等器件击穿或损坏，在继电器的两个驱动引脚之间反接一个二极管D4，使其以续流的方式释放掉感应电流。在有些室内环境中，15A的负载电流可能无法满足大功率用电器的需求，这时可以将端子A,B接到一个负载电流更大的接触器，室内供电线路由接触器控制。这样，室内线路的控制过程变为由AT89C51控制继电器的开关，继电器控制接触器的开关，进而接触器控制室内供电线路。接触器是一种与继电器类似的控制元件，也是利用线圈来控制电路的通断，但接触器的驱动电压是交流220V，能控制高达60A的大电流。图4.15为使用继电器和接触器控制更大线路电流的接线图。图4.14继电器控制模块电路图4.15继电器和接触器接线图4.4环境传感模块使用DHT11数字温湿度传感器采集室内温湿度数据，这是一款己经校准的数字信号输出的温湿度一体传感器。它使用专用的数字采集技术和温湿度传感技术，具有非常高的可靠性和持久的稳定性。其内部集成了一个电阻式感湿元件、一个NTC测温元件和一个高性能的8位单片机。外部通信接口采用单总线串行方式，只需占用STM犯单片机的一个引脚。体积小、功耗低、传输距离远等优点使它成为各种条件下温湿度监测的最佳选择。DHT11与AT89C51的连接电路图如图3.7所示，U8是DHT11传感器，电阻R20是上拉电阻，当传输距离较远时可以提高灌电流能力，使数据传输保持稳定。图3.7温湿度采集电路4.5系统外部通讯模块4.5.1RS-485通信总线串行通信是指将数据字节分成一位一位的形式在单根数据线上完成数据信息传输的发送与接收。电能表作为一个整体与抄表系统的通信一般采用异步通信接口。这是一种广泛使用的通信接口，主要遵循EIARS232C标准和RS485或RS422电气标准。为了满足RS-485的电平要求，需要外接接口芯片，进行电平之间的转换。接口芯片使用原理如图2.18所示。图2.18RS-485接口芯片使用原理红外通讯是以红外线作为载体传送数据信息，属于无线通讯的一种，具有指向性强、不相互干扰等特点，并且不受空间电磁波的干扰，是近距离无线通讯比较合适的选择。4.5.2串行通信电路设计本系统把单片机的TXD、RXD信号通过MAX3O28芯片把TTL电平转化为R-458电平。使单片机的TXD与上位机的RXD，及单片机的RXD与上位机的TXD间接相连。同时使两机共地，从而建立两机之间的通信。室内安全监测智能终端采集到的用电数据和环境数据通过以太网络传输到云端服务器，服务器进行用电器识别、故障电弧检测和室内环境跟踪记录等大数据分析处理。本设计采用了DM9000AE以太网卡，它是一款集成的单芯片快速以太网MAC控制器，支持10/100M自适应数据收发，带有4K双字SRAMDM9000AE提供了介质无关的网络接口，允许连接所有提供支持介质无关接口功能的家用电话线网络设备或其他数据收发设备。图2.19MAX3082接口电路DM9000AE与AT89C51通过FSMC总线连接，FSMC是FlexibleStaticMemoryController的缩写，译为可变静态存储控制器，顾名思义，是AT89C51提供的一种用于存储器扩展的控制器，可以在AT89C51应用系统中方便的接入各种类型的存储器，以及内置静态存储器的显示器件等。DM9000AE内部有许多配置寄存器，每个寄存器有一个固定地址，因此可以看作一种存储器，在程序中将FSMC控制器的时序对DM9000AE进行适配，就可以实现数据通信。5.软件设计5.1程序C语言编写由于C语言具有功能丰富，是进行程序开发最常用的语言形式，固本文选中其为开发编辑语言。用AT89C51开发的ADS1.2集成开发环境为开发平台，对程序运行结果进行分析，数值可以存放在一个普通变量中，为以后真正编写计算机程序解决实际问题打下基础。由于AT89C51的程序执行速度较高，用if语句进行判断，编译器就可以自动的完成变量的存储单元分配，比如AT89C51的启动代码，AT89C51的操作系统的移植代码等，将汇编程序以文件的形式加入项目当中，程序架构清晰易懂，管理较为容易等等。因此，C语言的在AT89C51编程中具有重要地位。在AT89C51程序的开发中，存储器的存储速度和存储量也很高，需要大量读写硬件寄存器，绝大多数代码可以使用C语言来完成，从而大大加快软件的开发速度。5.2统软件总设计主程序构成无限循环，通过软件程序外部信息收集和分析AT89C51单片机信息主要完成单片机初始化，菜单显示内容初始化，系统的软件的设计体系初始化，液晶显示，键盘扫描，DS1302时钟的读写程序，系统断电中断，各功能模块的整体的设计很重要，各模块只工作。当前设定模式，然后决定输入哪种相应的设置模式。主要程序主要是对系统状态的初期化和检测。主程序软件设计流程图如图5.1所示。图5.1主程序流程图5.3电能脉冲采集程序电能脉冲采集是电子式电能表最基本的功能。因为电能脉冲信号经过二分频，所以只需对分频后的信号电平进行判断，如果判断出此信号由高电平到低电平或由低电平到高电平变化一次即为收到一个脉冲。图3.2电能脉冲采集程序流程图5.4通讯中断子程序上位PC机对MCU所存储的电能数据的读取是通过异步串口通信所实现的。由于单片机内部集成有异步串口通信模块，所以单片机的外围电路只需接一片485电平转换芯片，即可与上位机进行通信。PIC单片机首先要设置异步通信的比特率数据位，停止位，校验方式等信息，最后打开中断，根据UART模块的结构和特征，本程序中发送数据和接收数据都采用中断的方式来实现。在本系统中，异步串口通讯模块比特率设置为19.2K，通信模式采用模式1，即每次发送的有效数据为8位，另加一位停止位。图3.3通信中断子程序流程图为了实现上位机与MCU之间的准确通信，通信的数据应满足一定的格式。在本系统中，通讯帧分为两种，即命令帧和回应帧。上位机传给MCU的信息为命令帧，命令帧中含有下位机上传电能数据的种类和性质。即需要传送的为哪个用电时段的电能数据，哪个月份的用户电量的总费用。5.5其他子程序5.5.1电能计算模块正向有功电能的计算程序流程图如图3.4所示，一秒时间到时产生中断，对正向有功累加单元的数据累加，累加后判断当前正向有功累加单元中数值是否大于3600000，如果否就继续累加，如果是就将正向有功累加单元中的数值减去3600000，并且将当前正向有功总电量单元中的电量值增加一个单位。图3.4正向有功电能计量流程图5.5.2需量计量模块需量是指定长时间段内的平均功率，最大需量是一段时间内，比如一个月内需量的最大值，考察需量是为方便电力系统统计用户用电负荷情况，需量的测量有区间式和滑差式两种方法。图3.5需量处理流程5.5.3负荷记录模块负荷记录功能是电能表按照用户设定的时间间隔对选定的电能参数数据进行滚动记录的功能。用户可以根据负荷记录绘制电力负荷随时间变化的曲线，即负荷曲线，它是电力局进行电力系统规划的依据。电能表负荷记录的处理流程如图3.6所示。图3.6负荷记录处理流程图6.软件功能6.1数据传输与云存储系统数据传输与云服务器存储过程中，使用ESP8266Wi-Fi模块以HTTPpost方式和Yeelink物联网云平台进行数据交互，将智慧家庭电能管理系统和外部的Yeelink云服务平台对接，把云计算的优点应用到实际家庭用电数据的分析中。电器能量信息传输并存储到云服务器的过程，可按照以下步骤实现:（1）注册账号，添加设备登陆Yeelink物联网网站:http://www.Y/，登陆注册Yeelink用户账号。账号注册成功后，系统自动生成APIKEY密钥，此密钥为用户与Wi-Fi模块通信时提交的验证。然后添加新设备，此处添加电能计量传感器设备CS_5463，也可以自定义其他的设备。需要注意的是此传感器的API地址，在后续与Wi-Fi模块通信时将会用到这个链接URL。如图6.1所示。图6.1注册Yeelink账号并添加设备（2）Wi-Fi模块设置云服务器中相关设备添加完成后，需要对Wi-Fi模块进行相关设置。首先是Wi-Fi模块加入家庭路由器的网络设置，然后配置该模块工作模式，包括Wi-Fi运行模式和数据传输模式。其中，运行模式设为Station，即Wi-Fi作为终端模式，成为Wi-F