摘要：本文从家庭用电能效的监测和管理两方面进行研究，研制能够实时监测家用电器能耗的智能设备，采用LoRa物联网无线通信网络，使各电器的实时能耗数据发送到用户手机客户端或其他智能设备，通过管理系统软件有效的观测到家庭当前用电情况，及时的发现高能耗或正做无用功的家用电器，并对家用户电器的能耗进行综合管理。
关键词：LoRa通信；物联网技术；能耗监测；
引言
目前，越来越多的家庭希望通过手机和智能设备感知到家庭内部各方面的数据信息，大量的电器生产厂商也都有各自基于物联网的电器设备。但是，众多电器设备的实时耗电量却没有告知用户，用户只能通过购买的电器上标记的能耗级别来判断电器是否省电，然而随着电器使用时间的增加，工作环境的影响，其能耗增加程度不得而知。此外，在电器产品何时更换，电器日常在不使用时的待机功耗，正在做无用功而耗电的电器等方面，如果用户不知晓并得到有效解决，会造成家庭大量的电能损失。本文从家庭用电能效的监测和管理两方面进行研究，研设计的测量终端采用即插即用方式，代替现有的墙壁开关，方便监测各类电器产品的实时功耗和综合管理[1-3]。
1.总体设计思路
家庭能耗监管系统保护电器能耗的监测和管理两部分，能耗的监测主要是设计了能耗监测装置，在墙壁插座的结构上加装了电量监测电路和无线通信部分，能够把供电电源的实时供电量进行采集并且实现数据的无线传输。设计了LoRa物联网传感网络，手机或其他智能终端和网关都可以接受到能耗监测数据，用户可以通过手机在家里了解到家庭电器的耗能情况，网关接受到各测点的数据上传到物联网云，用户在家外任何地方都可以接受到电器的耗能。通过能耗管理软件可以高效的使用电能，断开不必要的用电设备，按照用户的用电习惯对电器进行管理，如图1所示。
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图1 系统总体设计流程图
2.硬件模块设计
家庭能耗监测装置的设计包括电量采集模块、无线传输模块、断电控制模块、防雷保护模块组成。
2.1 用户电量采集模块
电量采集模块是通过穿心式精密小电流传感器，感应出0.1A-20A交流电流，通过可调便比放大器进行信号的分段变换，给单片机A/D采集模块，准确测量出电流值，从而获得实时的电量数值。用电器的工作电流在通过互感器感应出1000：1的小电流，通过放电器变换和不同信号范围的选择，变换成AD模块可以接受的电压信号，通过REFD电压的抬升和V3过电压的保护，能够把全向位正弦波信号完成的进行处理。
2.2 LoRa无线通信模块设计
无线传输模块采用北京门思科技公司生产的LoRa无线模块，体积为3×3cm，易于嵌入到电路板中。能耗监测装置采集的用电量发送到LoRa无线模块中，无线模块通过透传的方式传输到家庭网关和用户手机上，通过软件进行分析和应用[4-5]。
2.3 断电控制模块模块设计
断电控制模块实现远程开合开关，实现用于远程开启和关闭用电设备。用户可利用手持终端设备，通过无线方式控制智能插座的供电开合，插座内采用固体继电器，动作时间5ms，最大可以开合20A的电流，这样方便对用电器供电电源的操作。
2.5 防雷模块设计
防雷保护模块是利用放电管和TVS管配合，起到防止过电压损害电器的目的。本文设计了开关插座孔内的防雷保护，当出现接触电弧等过电压时，采用的瞬态抑制和放电管相互配合，达到泄放大电流的目的。
3.软件设计
整体监测系统的终端主要功能是实时采集用电器电流，并定时通过无线通信模块把监测数据上送[9]。终端软件设计是在装置内部MCU单片机上完成的。软件设计对提升系统的可靠性同样起着重要作用，用电器的电流采集和数据发送流程如图2所示。
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图2测量终端软件设计
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图3用户电量监测数据
（1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
（2）功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，是PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
三、自动灌装系统线路图
三、改造自动灌装系统后运行情况分析
EMC生产灌装系统改造后，首先提高了生产效率，减少了人员成本，增加了产量，在生产过程中由于是封闭式自动化灌装，减少了产品灌装过程中受外部环境污染，保证了产品质量。
参考文献
[1]《可编程序控制器（PLC）应用指南与实践》主编：高安邦哈尔滨理工大学
[2]《现代电气控制及PLC应用技术》主编：王永华北京航空航天大学出版社
[3]《电气控制与PLC实训教程》主编：阮友德人民邮电出版社
论文作者:王天晴1,秦晓伟2,钟丹田1
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
标签：模块论文; 电器论文; 电量论文; 家庭论文; 电流论文; 过电压论文; 用户论文; 《电力设备》2019年第22期论文;