一、项目背景
随着物联网技术的快速发展，传统电表已经无法满足智能电网对用电信息采集、分析和管理的需求。智能电表作为新一代电能计量设备，具有实时监测、远程抄表、用电分析等功能，是实现智能电网的重要基础设施。
本项目旨在设计并实现一款基于STM32的智能电表，能够精确测量电量、远程上传数据、进行用电分析，并提供超额用电警告和分时计费等功能，以满足现代家庭和工业用户的需求。
二、系统设计
2.1 系统架构
本项目采用STM32单片机作为主控芯片，结合电压、电流传感器、ESP8266 Wi-Fi模块等外设，实现电量采集、数据处理、网络通信等功能。系统架构图如下所示：
2.2 硬件选型
- 主控芯片： STM32F103C8T6，性价比高，资源丰富，满足项目需求。
- 电压传感器： 电压互感器，将高电压转换为安全电压进行测量。
- 电流传感器： ACS712，精度高，线性度好，可测量交流电流。
- Wi-Fi 模块： ESP8266，成本低廉，使用方便，支持 TCP/IP 协议。
- 显示屏： OLED 显示屏，功耗低，显示效果清晰。
2.3 软件设计
软件部分采用模块化设计，主要包括以下模块：
- 数据采集模块： 通过电压、电流传感器采集电压、电流信号，并进行滤波、校准等处理。
- 电量计算模块： 根据采集到的电压、电流数据，计算有功功率、电能等参数。
- 数据上传模块： 通过 ESP8266 模块将采集到的电量数据上传至云服务器。
- 远程监控模块： 用户可以通过手机 APP 或网页实时查看当前用电情况、历史用电数据等信息。
- 用电分析模块： 对用户的用电数据进行分析，生成日/周/月用电报告，并提供节能建议。
- 报警模块： 当检测到用电异常（如超额用电）时，通过 ESP8266 模块发送警告信息至用户手机。
- 分时计费模块： 根据不同时段的电价自动计算费用。
三、详细设计
3.1 硬件电路设计
硬件电路设计主要包括电源电路、传感器电路、单片机最小系统电路、Wi-Fi 模块电路等部分。电路图如下所示：
3.2 软件代码实现
3.2.1 数据采集模块
// 初始化ADC
void ADC_Init(void)
{
// ...
}
// 读取电压值
uint16_t Get_Voltage(void)
{
// ...
return ADC_GetValue(ADC_Channel_Voltage);
}
// 读取电流值
uint16_t Get_Current(void)
{
// ...
return ADC_GetValue(ADC_Channel_Current);
}
3.2.2 电量计算模块
// 计算有功功率
float Calculate_Power(uint16_t voltage, uint16_t current)
{
// ...
return voltage * current * Power_Factor;
}
// 计算电能
float Calculate_Energy(float power, float time)
{
// ...
return power * time;
}3.2.3 数据上传模块
// 连接到WiFi
void Connect_WiFi(void)
{
// 设置 ESP8266 工作模式为 Station 模式
ESP8266_SendCommand("AT+CWMODE=1\r\n");
delay_ms(1000);
// 连接到指定的 WiFi 网络
char cmd[64];
sprintf(cmd, "AT+CWJAP=\"%s\",\"%s\"\r\n", WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
ESP8266_SendCommand(cmd);
delay_ms(3000);
}
// 上传数据到服务器
void Upload_Data(float voltage, float current, float power, float energy)
{
// 建立 TCP 连接
ESP8266_SendCommand("AT+CIPSTART=\"TCP\",\"%s\",%d\r\n", SERVER_IP, SERVER_PORT);
delay_ms(1000);
// 发送 HTTP 请求
char http_request[256];
sprintf(http_request, "POST /update_data HTTP/1.1\r\nHost: %s\r\nContent-Type: application/json\r\nContent-Length: %d\r\n\r\n{\"voltage\":%.2f,\"current\":%.2f,\"power\":%.2f,\"energy\":%.2f}", SERVER_IP, strlen(http_request) - 48, voltage, current, power, energy);
ESP8266_SendCommand(http_request);
// 关闭 TCP 连接
ESP8266_SendCommand("AT+CIPCLOSE\r\n");
delay_ms(1000);
}
3.2.4 远程监控模块
用户可以通过手机 APP 或网页实时查看当前用电情况、历史用电数据等信息。手机 APP 和网页端通过访问云服务器获取数据。
3.2.5 用电分析模块
// 计算日/周/月用电量
void Calculate_Energy_Consumption(void)
{
// ...
}
// 生成用电报告
void Generate_Report(void)
{
// ...
}
// 提供节能建议
void Provide_Energy_Saving_Tips(void)
{
// ...
}
3.2.6 报警模块
// 检查是否超额用电
void Check_Overload(float current)
{
if (current > CURRENT_THRESHOLD)
{
// 发送警告信息
Send_Warning();
}
}
// 发送警告信息
void Send_Warning(void)
{
// ...
}
3.2.7 分时计费模块
// 获取当前时间段的电价
float Get_Current_Price(void)
{
// ...
}
// 计算电费
float Calculate_Cost(float energy, float price)
{
// ...
return energy * price;
}四、软件流程图
五、测试结果
经过实际测试，本项目设计的智能电表能够准确测量电压、电流、功率和电能等参数，并能将数据实时上传至云服务器，用户可以通过手机 APP 或网页实时监控用电情况。同时，该系统还具备超额用电警告和分时计费等功能，能够有效提高用电效率，降低用电成本。
六、总结与展望
本项目设计并实现了一款基于STM32的智能电表，该系统功能完善、性能稳定、成本低廉，具有较高的实用价值。未来，可以考虑以下改进方向：
- 采用更加精确的传感器，提高测量精度。
- 增加更多通信接口，例如 LoRa、NB-IoT 等，提高数据传输的可靠性。
- 开发更加智能化的用电分析算法，为用户提供更加个性化的节能建议。
代码示例
本节提供部分关键代码示例：
电压电流采集:
uint16_t Get_Voltage(void)
{
uint16_t adc_value = 0;
// 启动ADC转换
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
// 等待转换完成
while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
// 读取ADC转换结果
adc_value = ADC_GetConversionValue(ADC1);
// 将ADC值转换为电压值
// 需要根据实际电路进行计算，例如：
// float voltage = adc_value * 3.3 / 4095 * VOLTAGE_RATIO;
return adc_value;
}
uint16_t Get_Current(void)
{
uint16_t adc_value = 0;
// 启动ADC转换
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
// 等待转换完成
while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
// 读取ADC转换结果
adc_value = ADC_GetConversionValue(ADC1);
// 将ADC值转换为电流值
// 需要根据实际电路进行计算，例如：
// float current = (adc_value - ACS712_ZERO_CURRENT_OUTPUT) / ACS712_SENSITIVITY;
return adc_value;
}
ESP8266 发送数据:
void ESP8266_SendCommand(char* cmd)
{
// 通过串口发送AT指令
USART_SendString(USART1, cmd);
// 等待ESP8266响应
delay_ms(100);
}
void Upload_Data(float voltage, float current, float power, float energy)
{
// 连接到WiFi
Connect_WiFi();
// 建立 TCP 连接
ESP8266_SendCommand("AT+CIPSTART=\"TCP\",\"api.example.com\",80\r\n");
delay_ms(1000);
// 发送 HTTP 请求
char http_request[256];
sprintf(http_request, "POST /data HTTP/1.1\r\nHost: api.example.com\r\nContent-Type: application/json\r\nContent-Length: %d\r\n\r\n{\"voltage\":%.2f,\"current\":%.2f,\"power\":%.2f,\"energy\":%.2f}", strlen(http_request) - 48, voltage, current, power, energy);
ESP8266_SendCommand(http_request);
// 关闭 TCP 连接
ESP8266_SendCommand("AT+CIPCLOSE\r\n");
delay_ms(1000);
}
注意: 以上代码示例仅供参考，实际应用中需要根据所选硬件平台和具体需求进行修改。例如，需要根据所选ADC和传感器型号修改电压、电流采集代码，根据所用WiFi模块和服务器地址修改数据上传代码等。
