基于微控制器的節(jié)能智能電能表的設(shè)計

姚續(xù)男

（中煤科工集團上海有限公司，上海 200030）

0 引言

近年來，電力對人類的生存和進步變得越來越重要，自動化能源分配也成為提高人們生活水平的必要條件。而手動抄表效率不高，需要大量人力和物力，因此對智能電子儀表系統(tǒng)的需求不斷增加，無需任何人工干預(yù)即可將抄表結(jié)果發(fā)送給消費者和分銷商[1]。

智能電表出現(xiàn)之前，分銷商會根據(jù)使用的電力數(shù)量在計費系統(tǒng)中制定定價規(guī)則，但消費者不知道其電量使用情況?？紤]到這一點，智能電表將有助于消費者了解消耗的電量和需要支付的金額。如果使用的電量超出正常范圍，消費者可以控制電子設(shè)備的運行并降低功耗，而功耗成本將通過讀取電表產(chǎn)生的脈沖來計算[2]。然后將計算出的單月金額發(fā)送給消費者和分銷商，并且在液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)上顯示消費者的日消耗量。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，電子式電能表或機電式電能表在固定測量使用量的前提下，能夠記錄電量，然后由抄表員每月讀取。記錄數(shù)據(jù)的成本將根據(jù)當前的費率產(chǎn)生，而在智能電子表中，不需要抄表，消費者和分銷商都將收到信息，其中包括他們的功耗和時間成本的詳細信息[3-4]。由于消費者已經(jīng)對其電力使用情況和消耗的電力成本有了先驗知識，因此可以減少電力消耗并節(jié)省電能。

1 系統(tǒng)設(shè)計

在現(xiàn)有系統(tǒng)中，每個用電點都會安裝機械式或電子式電能表，記錄用電者消耗的電量[5-6]。每個月末，抄表員都要走訪每一位消費者，并開具賬單，因此需要大量的人力。在現(xiàn)有的系統(tǒng)中，沒有任何機制提醒消費者他們每天消耗了多少電量，以便他們可以規(guī)劃和有效利用電器并減少電費支出。只有在月底，消費者才會知道電費單。

在微控制器使能的智能電能表系統(tǒng)中，還將連接機械或電子電能表光耦合器、Arduino UNO微控制器[7]、實時時鐘(real time clock，RTC)、LCD、WiFi模塊和GSM模塊。該智能電能表不僅會記錄消費者消耗的電量，還會定期通過GSM向消費者發(fā)送有關(guān)消耗電量和消耗電量成本的短信服務(wù)。因此，聰明的消費者可以利用短信服務(wù)規(guī)劃用電量，并通過正確途徑使用電器來降低耗電量。此外，由于連接了WiFi模塊，每個月末生成的賬單可以發(fā)送給分銷商，也可以發(fā)送一份副本給消費者，這樣就可以避免因讀取電表生成賬單所需的人力。

2 智能電能表的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框圖

智能電能表系統(tǒng)框圖如圖1所示，由電子電能表、光耦合器、Arduino UNO微控制器、RTC、LCD、WiFi模塊、GSM模塊和PC機組成，并且各個模塊的功能如表1所示。

圖1 智能電能表框圖

表1 各個模塊功能描述

2.2 測量設(shè)計

每消耗1單位(1kWh)電能，電能表中的校準LED將閃爍3200次，并通過光耦合器轉(zhuǎn)換為3200個脈沖。Arduino UNO將對這些脈沖進行計數(shù)，并根據(jù)當前電價計算電力成本。RTC將定期啟動更新，向消費者和分銷商發(fā)送詳細的功耗和成本信息。

2.3 測量方法

智能電能表的實現(xiàn)方法如圖2所示，Arduino UNO微控制器將讀取電能表中根據(jù)用電設(shè)備功耗產(chǎn)生的脈沖。微控制器將計算用戶消耗的功率以及一天消耗的功率成本。在一天結(jié)束時，微控制器將通過GSM模塊向消費者發(fā)送有關(guān)耗電量和電力成本的信息[8]。在月底，有關(guān)消耗電量和耗電成本的信息將發(fā)送給消費者和分銷商。

圖2 智能電能表的實現(xiàn)方法

2.4 功能流程圖

智能電能表的功能流程圖如圖3所示。Arduino UNO微控制器對來自電能表的脈沖進行計數(shù)，并通過遞增計數(shù)器計算耗電元件消耗的功率，耗電量和耗電成本將顯示在LCD上。大約在一天結(jié)束時，從RTC接收到信號后，將向消費者發(fā)送一條關(guān)于耗電量和電力成本的消息。在RTC發(fā)送月底信息后，將向消費者和分銷商發(fā)送有關(guān)耗電量和電力成本的消息。

圖3 智能電能表流程圖

3 結(jié)語

3.1 實驗結(jié)果

耗電量和功耗在LCD上的顯示如圖4所示。

圖4 LCD 展示的功耗和耗電量

3.2 結(jié)論

在智能電能表的成功設(shè)計下，每月通過GSM模塊和WiFi模塊分別向消費者和分銷商發(fā)送耗電量和成本信息，它還會定期向消費者發(fā)送關(guān)于耗電量和耗電量成本的訊息提示。計費系統(tǒng)的自動化消除了人工干預(yù)，使得智能電能表更加可靠。智能電能表將帶來潛在的解決方案，抵制不必要的電力消耗意識，并有助于減少電力的消費。

3.3 未來范圍

智能電能表還可以通過考慮物聯(lián)網(wǎng)來進一步完善其系統(tǒng)設(shè)計，使得數(shù)據(jù)庫可以長期維護。此外，電能表可以成為一個預(yù)付的電能表，這樣當有逾期的賬單時，電力可以被切斷。也可以開發(fā)一個移動應(yīng)用程序，這樣消費者可以通過應(yīng)用程序聯(lián)系分銷商，在一些罕見的情況下需要任何額外的電力分配，或者可以向分銷商投訴他所面臨的任何問題。