Để giải quyết các vấn đề về chi phí bảo trì cao và sự thuận tiện thấp của việc đọc đồng hồ đo điện truyền thống, một hệ thống đồng hồ đo điện thông minh không dây dựa trên giao tiếp WiFi đã được phát triển. Hệ thống sử dụng STM32 làm bộ điều khiển, áp dụng mô-đun điện áp AC\/dòng điện tích hợp để thu thập các tín hiệu điện áp và dòng điện của lưới điện và nhận ra việc truyền dữ liệu năng lượng điện thông qua truyền không dây WiFi. Kết hợp với OLED và APP, người dùng có thể giám sát và quản lý điện áp, dòng điện, hóa đơn điện và dữ liệu năng lượng điện trong thời gian thực. Các thử nghiệm cho thấy hệ thống có độ chính xác đo lường 0. 002%và người dùng có thể truy vấn dữ liệu năng lượng bất cứ lúc nào, có tính thực tế và khả năng hoạt động tốt.
Từ khóa: WiFi; Đồng hồ thông minh; STM32; OLED; ỨNG DỤNG
Nội dung
2. Thiết kế phần cứng hệ thống
2.1 Thiết kế mạch tổng thể hệ thống
2.2 Thiết kế mạch điều khiển STM32
2,3 Thiết kế mạch phát hiện điện áp AC\/hiện tại
2.4 Thiết kế mạch hiển thị OLED
2.5 Thiết kế mạch truyền không dây
4. Phần mềm hệ thống và gỡ lỗi phần cứng
4.1 Debuging phần mềm hệ thống
4.2 Debuging phần cứng hệ thống
4.3 Trình diễn chức năng tổng thể hệ thống
1. Thiết kế tổng thể hệ thống
Với sự chuyển đổi cấu trúc năng lượng và sự phát triển nhanh chóng của lưới điện thông minh, đồng hồ thông minh, như các thành phần chính trong các hệ thống năng lượng hiện đại, không chỉ có thể nhận ra đo lường năng lượng chính xác mà còn tích hợp giám sát từ xa, truyền dữ liệu, quản lý năng lượng và các chức năng khác. Họ đang dần thay thế máy đo cơ học hoặc điện tử truyền thống, cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho việc quản lý thông minh và tối ưu hóa các hệ thống điện. Hiện tại, đồng hồ thông minh dựa trên các bộ vi điều khiển đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu. Kết hợp 32- Công nghệ DSP và ARM bit, thu thập dữ liệu điện áp, lưu trữ và trực quan hóa thời gian thực được thực hiện. EM773 được kết hợp với chip truyền không dây NRF24L01 và dữ liệu được truyền hiệu quả đến máy tính chủ thông qua công nghệ xe buýt CAN để nhận ra giám sát thời gian thực, thu thập dữ liệu và lưu trữ điện áp dài hạn. Ngoài ra, các cảm biến sợi quang, các mô-đun chuyển đổi thành kỹ thuật số sang tương tự AD7606 và các mô-đun Voltcal được sử dụng rộng rãi trong việc thu thập dữ liệu điện áp. Ví dụ, bộ sưu tập thông tin tiêu thụ điện của người dùng thời gian thực được thực hiện bằng cách kết hợp công nghệ truyền tải thiết bị đầu cuối và GPRS. Một hệ thống thu thập và giám sát thông tin năng lượng với chức năng tự chẩn đoán được thiết kế để nhận ra các chức năng trực tuyến phong phú, nhưng phương pháp triển khai chi phí quá mức và quá mức giới hạn việc quảng bá và ứng dụng của nó ở một mức độ nhất định. Công ty TNHH Electron Electron Electron, Ltd. kết hợp chip đo năng lượng ATT7022E với Cổng Lora để cải thiện độ tin cậy của truyền và tiếp nhận dữ liệu đồng hồ, nhưng độ chính xác đo của nó vẫn cần được cải thiện hơn nữa. Hệ thống thu nhận năng lượng dựa trên cánh tay kết hợp công nghệ truyền thông LORA và GPRS giúp cải thiện độ chính xác phát hiện, nhưng số lượng lớn các điểm đo dẫn đến giảm tốc độ tải dữ liệu và hiệu suất thu thập dữ liệu thời gian thực rất khó đảm bảo. Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng lĩnh vực nghiên cứu hiện tại của các hệ thống thu nhận năng lượng vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức như khả năng thích ứng môi trường kém, thiết kế phần mềm và phần cứng phức tạp và chi phí cao. Do đó, bài viết này thiết kế một hệ thống đồng hồ thông minh không dây dựa trên giao tiếp WiFi, chủ yếu sử dụng các mô -đun điện áp và hiện tại để thu thập chính xác điện áp và tín hiệu hiện tại, nhận ra truyền dữ liệu hiệu quả thông qua WiFi và thiết kế ứng dụng điện thoại di động để người dùng xem xét và quản lý điện áp, hóa đơn điện tử và năng lượng.
Hệ thống chủ yếu bao gồm ba phần: thu thập dữ liệu, truyền dữ liệu và hiển thị dữ liệu. Khung thiết kế tổng thể được hiển thị trong Hình 1. Phần thu thập dữ liệu sử dụng bộ chuyển đổi A\/D tích hợp của STM32 để có được điện áp thời gian thực và dữ liệu hiện tại; Phần giao tiếp dữ liệu sử dụng mô -đun ESP8266 để nhận ra truyền dữ liệu không dây; Phần hiển thị dữ liệu kết hợp OLED và ứng dụng để hiển thị trực quan và truy vấn điện áp thời gian thực, dòng điện, năng lượng và thông tin khác.
2 Thiết kế phần cứng hệ thống
2.1 Thiết kế mạch hệ thống tổng thể
Theo quan điểm của các ưu điểm của STM32 như kích thước gói nhỏ, hoạt động nhanh và mức tiêu thụ điện năng thấp, hệ thống này bao gồm STM32 là bộ điều khiển lõi, kết hợp với mô -đun phát hiện điện áp AC\/hiện tại, mô -đun hiển thị OLED và mô -đun WiFi, v.v. Bộ điều khiển STM32 chuyển đổi điện áp và dòng điện thời gian thực được thu thập thành năng lượng thời gian thực, tích lũy năng lượng điện Q và giá điện tích lũy V. Mô-đun ESP8266 chuyển đổi hiệu quả dữ liệu thu được thành tín hiệu dữ liệu mạng không dây thông qua cổng điện thoại.
Hình 2 Mạch phần cứng tổng thể của hệ thống
2.2 Thiết kế mạch điều khiển STM32
Mạch điều khiển STM32 chủ yếu bao gồm mạch thiết lập lại, mạch dao động tinh thể và STM32, như trong Hình 3.
Hình 3 Mạch điều khiển STM32
2.3 Thiết kế điện áp AC\/mạch phát hiện dòng điện
Mạch phát hiện điện áp AC\/dòng điện được hiển thị trong Hình 4. Sau khi thu thập tín hiệu dòng\/điện áp tương tự của nguồn điện, nó có thể được chuyển đổi thành điện áp và tín hiệu kỹ thuật số hiện tại thông qua A\/D. Mạch tích hợp hai bộ chuyển đổi A\/D-Digital-to-Analog và lõi đo năng lượng. Lõi đo năng lượng bao gồm hai phần: mạch biến áp điện áp AC và mạch biến áp dòng điện AC. Thiết kế của mạch biến áp điện áp AC được hiển thị trong Hình 5. Điện áp AC trong mạch đo tạo ra tín hiệu AC điện áp nhỏ thông qua máy biến áp điện áp. Bộ điều khiển STM32 có thể hoàn thành việc chuyển đổi tương tự thành kỹ thuật số của tín hiệu DC. Do đó, tín hiệu nhỏ AC được phát hiện được chỉnh lưu và lọc trước khi được gửi đến bộ điều khiển STM32 để hoàn thành việc thu thập tín hiệu điện áp. Máy biến áp điện áp sử dụng TV 1005-1 m, được truyền đến cổng đầu vào tương tự sang số của STM32 sau khi chỉnh lưu và lọc để chuyển đổi tương tự sang số. Mạch biến áp dòng điện AC được hiển thị trong Hình 6. Máy biến áp dòng AC sử dụng TA 1005-1 m để nhận ra thu nhận tín hiệu hiện tại. T2 có thể giảm tỷ lệ điện áp của cổng mạng điện và diode D2 chỉnh lưu và lọc tín hiệu điện nửa trục âm. Giá trị tương tự của dòng thứ cấp được tính theo định luật của OHM và giá trị dòng điện thứ cấp được nhân với hệ số tỷ lệ tỷ lệ để thu được giá trị dòng điện thời gian thực cần đo. Phần còn lại của quá trình giống như thu nhận điện áp.
Hình 4 Điện áp AC và mạch phát hiện dòng điện
Hình 5 mạch biến áp điện áp AC
Hình 6 Mạch biến áp dòng điện AC
2.4 Thiết kế mạch hiển thị OLED
Hệ thống sử dụng màn hình OLED bốn chân làm thiết bị hiển thị, có đặc điểm của điện áp lái xe thấp và mức tiêu thụ năng lượng thấp. STM32 gửi các hướng dẫn và dữ liệu đến màn hình OLED thông qua bus SPI để kiểm soát nội dung hiển thị. Thiết kế mạch được hiển thị trong Hình 7.
2.5 Thiết kế mạch truyền không dây
Hệ thống sử dụng mô -đun WiFi _ ESP8266 để nhận ra giao tiếp không dây của dữ liệu. Là một giải pháp mạng Wi-Fi hoàn chỉnh và khép kín, ESP8266 có thể hoạt động trong các chế độ SoftAP, Trạm và SoftAP\/Trạm [18-19]. Thiết kế mạch được hiển thị trong Hình 8. Pin P4 (TXD) của mô -đun ESP8266 được kết nối với pin vi điều khiển P, PIN P8 (RXD) được kết nối với pin vi điều khiển P9, pin P được nối đất, chân P
3. Thiết kế phần mềm hệ thống
Sau khi phần mềm tổng thể hệ thống được bật và khởi tạo, mô-đun thu thập điện áp AC\/hiện tại đọc điện áp trung bình thời gian thực và các giá trị hiện tại trung bình; Mô-đun điều khiển STM32 phân tích và xử lý dữ liệu nhận được, tính toán công suất thời gian thực P và công suất tích lũy Q và đưa ra phán quyết quá tải về công suất tích lũy. Nếu hệ thống quá tải bị tắt, báo thức buzzer được kích hoạt cùng một lúc. Mặt khác, dữ liệu được truyền đồng bộ đến mô -đun hiển thị OLED và ứng dụng điện thoại di động.
4. Phần mềm hệ thống và gỡ lỗi phần cứng
4.1 Debuging phần mềm hệ thống
Hệ thống sử dụng KEIL4 để gỡ lỗi phần mềm để kiểm tra các lỗi trong logic, chức năng và biên dịch chương trình. Viết chương trình theo các yêu cầu, thiết lập một dự án để biên dịch và chạy chương trình và chương trình tự động tạo tệp hex với hậu tố chính xác. Sử dụng công cụ gỡ lỗi cổng nối tiếp SSCOM để kết nối phần mềm và phần cứng và tải xuống.
4.2 Debuging phần cứng hệ thống
Thực hiện gỡ lỗi động của hệ thống để phát hiện và giải quyết các vấn đề như hàn lạnh, hàn rò rỉ, ngắn mạch, mạch mở và bất thường tín hiệu trong mạch phần cứng. Các kết quả gỡ lỗi được hiển thị trong Hình 11.
4.3 Trình diễn các chức năng hệ thống tổng thể
Để xác minh thiết kế, phần mềm và phần cứng gỡ lỗi chung đã được thực hiện và kết quả kiểm tra tải được hiển thị trong Hình 12. Khi hệ thống được kết nối với tải và thử nghiệm bắt đầu, OLED cho thấy công suất thời gian thực là 52W, công suất tích lũy là 0. kết nối và đồng hồ trong điều kiện làm việc bình thường. Các kết quả cho thấy độ chính xác của phép đo hệ thống đạt đến 0. 002%.
Ứng dụng điện thoại di động tương ứng được phát triển để nhận ra việc truyền và trực quan hóa dữ liệu theo thời gian thực và cải thiện trải nghiệm người dùng. Nó có thể hiển thị thông tin chính như dữ liệu hóa đơn điện áp, dòng điện, điện, điện và điện, để người dùng có thể hiểu đầy đủ về mức tiêu thụ điện. Đồng thời, hai nút ảo để kết nối Wi-Fi và khởi động hệ thống được cấu hình trên giao diện để nhận ra chức năng điều khiển từ xa của đồng hồ thông minh.
Máy đo thông minh được thiết kế với STM32, HLE8 0 12 và mô -đun WiFi có các đặc điểm của độ chính xác cao, mức tiêu thụ năng lượng thấp và đọc đồng hồ không dây. Đồng hồ thông minh được thiết kế với mô-đun rs485 và công nghệ truyền thông không dây Zigbee thực hiện giao tiếp hai chiều theo thời gian thực trong khi giảm hiệu quả chi phí truyền thông. Đồng hồ thông minh được thiết kế với bộ thu phát không dây STM32, SI4463 và mô -đun GSM có thể tự động ghi lại hóa đơn tiền điện và hỗ trợ các yêu cầu từ xa của người dùng. Ngược lại, đồng hồ thông minh được thiết kế trong thiết kế này có độ chính xác đo cao, lên tới 0,002%và nhận ra chi phí thấp, đọc đồng hồ không dây, ghi hóa đơn tiền điện và các chức năng điều tra người dùng. Đồng thời, nó có cấu trúc mạch đơn giản, các chức năng toàn diện và tính thực tế và khả năng hoạt động mạnh mẽ.
5 Kết luận
Để giải quyết vấn đề chi phí bảo trì cao của thiết kế đồng hồ điện truyền thống, Chiết Giang Reallin Electron Co., Ltd. đã thiết kế một hệ thống đồng hồ điện thông minh không dây dựa trên giao tiếp WiFi. Dựa trên mô-đun điều khiển STM32, hệ thống sử dụng mô-đun điện áp\/dòng điện AC để nhận ra việc thu thập, xử lý và truyền dữ liệu năng lượng điện theo thời gian thực và cũng có thể hiển thị dữ liệu điện áp, dòng điện, năng lượng và điện của hệ thống trong thời gian thực. Kết hợp với chức năng đọc đồng hồ không dây của mô-đun giao tiếp WiFi của hệ thống, người dùng có thể xem từ xa dữ liệu và điều khiển thông qua ứng dụng điện thoại di động, nhận ra theo dõi thời gian thực và hiển thị chính xác sức mạnh, cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng và nâng cao mức độ thông minh và sự thuận tiện của hoạt động của hệ thống. Hệ thống này có cấu trúc mạch đơn giản, các chức năng toàn diện, tính thực tế và khả năng hoạt động mạnh mẽ và triển vọng thị trường ứng dụng rộng.