家庭用电量统计系统开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

电力作为一种环保，清洁，高效的二次能源，已渗透到人们的生产生活，影响着人类的方方面面，因此电气化是现代化水平的重要标志。随着我国社会经济的发展，人民的生活质量也在不断提升，人们渴望拥有更多的电器与智能设备来改善和丰富生活，但是用电量也在随之攀升。

对用户来说，节能减排的最大动力就是能够节约电费。虽然目前市场上已经出现了诸多的节能电器，例如节能灯、节能空调、节能冰箱等，但是对这些电器的节能效果用户只有能依据厂商宣传的概念，并没有这些电器耗能具体数据（换算成电费），无法对电器的节能与自己的投资进行比较。目前国内仅对用户安装一块电能表，用户可以知道自己家庭每个月使用的总电费，但却不知道这些电费都用到了什么方面，也就没办法针对关键耗能设备进行有效的节能。

2. 研究的基本内容和问题

研究内容

家庭用电量统计系统分为三大模块：一是智能监控平台的电路设计，二是无线传输模块，三是智能插座部分。利用无线传输模块，智能插座模块采集各个家用电器的用电数据，将结果反馈给智能监控平台，进而达到对家庭用电设备及其用电量的精确统计。

本设计主要是设计一种可调控用电的家庭用电量统计系统。

3. 研究的方法与方案

本课题的研究方法

一、总体结构

二、各部分结构

1.智能监控平台

智能监控平台在整个监控系统中担任最核心的角色，它掌控着智能家庭内部所有事件的发送以及执行，同时兼具数据分析、处理能力。首先要把无线模块传输过来的数据进行数据处理和运算，还要通过触摸屏进行查看设备用电量和状态等功能，此外通过无线模块跟移动终端进行交互，所以选择合适的控制器关系到整个系统能否正常运行。以下是两种方案供智能监控平台进行选择：

方案 1: 选择传统的 8 位单片机，AD，EEPROM 等功能需要扩展，增加了硬件和软件的负担。运行速度较慢，处理大量数据速度较慢，安全性也比较差，芯片容易被烧坏等缺点。

方案 2: 选择 STM32，该控制器搭载了 ARM 公司最新的、具有先进架构的Cortex-M3 内核 ，可以用库函数直接对用到的资源进行配置，采用 C 语言编程简单。具有很强的实时性功能，集成度高，易于开发。可以进行多种数据通信，带有 DMA 功能的外设接口，无需 CPU 等待和干预数据接收。这样 CPU 可以省下精力可以集中去做数据采集和数据显示的问题。高达 512K 的可以存数数据，具有强大的计算能力可以对数据进行处理并进行显示出来。基于整个系统功能需求，要考虑低功耗的问题，低功耗设计除了省电节能之外，更多的是可以降低电源模块及其散热系统的成本，随着电流的减小，也会降低电磁辐射和热噪声的干扰。 基于以上两种方案的对比分析，本系统设计选择 STM32 控制器是意法半导体推出的 32 位单片机。在本系统中使用方便，无需外接其他芯片，处理速度也可以达到本系统的需要。

2.智能插座

智能插座除了可以实时监控用电设备的状态和接收智能监控平台的控制指令，整个系统主要由主控制器，电源的转换模块，电能计量模块，数据通信模块，继电器控制模块组成。智能插座是系统的数据采集终端，属于设计中的底层传感器，功能是将采集到的电压，电流，功率和用电量等数据信息传输到智能监控平台，同时接受来自智能监控平台的控制命令，从而控制继电器对用电设备进行开启和关闭。此外，智能插座除了可以实时监控用电设备的状态和接收智能监控平台的控制指令，整个系统主要由主控制器，电源的转换模块，电能计量模块，数据通信模块，继电器控制模块组成。

智能插座的方案设计有两种： 方案a：专用计量芯片 MCU的组合设计方案，这种方案存在一定的缺点，芯片在通信数据进行传输时可靠性比较差，在软件升级以及兼容性都存在很大的问题，阻碍以后功能的扩展。

方案b：采用高性能的单相电能计量SOC芯片V9811，片内集成模拟前端、电能计量模块、增强型8052内核、RTC、WDT、Flash、SRAM驱动等功能模块，所以，只需要在V9811外围添加电源、电压/电流采样、通信模块等少量电路就能设计出一个完整的智能插座方案，可以极大地降低智能插座的制造成本。

3.无线通信模块硬件设计

无线技术近年来迅猛发展，使得人们可以随时随地获取信息和交换信息，而且为人们的生产和生活带来了极大的便利。目前按照覆盖范围划分的无线通信技术包括无线广域网WWAN，无线局域网WLAN（WIFI）、无线个域网WPAN（蓝牙、ZigBee和UWB）。 传统无线网络设计用途专一，超宽带技术（UWB）用于无线视频传输，WIFI用于无线访问接入互联网，蜂窝网络（3G）用于语音通信，蓝牙用于无线电子设备连接。ZigBee主要用于监控和控制，但是由于应用场景不一样，他们提供的功能也不同。 蜂窝网络通信质量好且覆盖面广，但系统资源消耗大、能量消耗高，电池供电仅维持几天左右，ZigBee与其他对比如表所示。WIFI传输速率可达到1Mbps，传输距离可达100m，但是其功耗大、组网能力差，一般最多组成32个节点的星型网络。蓝牙技术成本低，但是传输距离只有10m，且只能组成8个节点的星型网络，电池也仅只能维持数周。

本家庭用电量统计系统采用先进的ZigBee无线通讯技术，实现了家电设备和人之间信息的互联互通，不仅使整个智能监控系统运行稳固可靠还能随时添加更多的设备，使系统更具延伸性和实用性。

家电智能监控系统的中的本地智能监控平台和智能插座之间的无线通信模块的功能主要包括两个方面： ⑴ 将智能插座采集的家庭用电设备的数据信息通过无线通信模块进行上传到本地智能监控平台。 ⑵ 将上层发送指令传输到底层的智能插座上对家庭用电设备进行数据查询或者控制设备。

本课题采用的步骤：

a.了解智能家居与电量管理的背景和现状；

b.设计以stm平台为核心的智能监控平台，智能插座与无线通信模块的硬件设计

c.与硬件同步的功能软件的编写；

d.硬件与软件的功能与性能调试与改进；

e.整体的组装与系统的调试；

最后整合与系统实现；

4. 研究创新点

[1]王笛. 面向家庭的智能用电管理系统的研究与实现[d].北京交通大学,2015.

[2]谢建青. 基于wsn的智能电能监控系统的研究[d].华东理工大学,2013.

[3]张鹏伟. 家庭智能用电管理系统研究[d].哈尔滨工业大学,2016.

5. 研究计划与进展

2021年2月26日-2021年3月5日，有针对性的学习课题相关资料，学习相关学科的基础知识，学习实验所需stm单片机，2g无线技术，python程序的相关知识。