林锦锋，曾 酌，雷娜娜，高怡红，邱 斌

（桂林理工大学 信息科学与工程学院，广西 桂林 541004）

近年来，我国电气火灾发生频繁，仅2007—2016年间，我国共发生火灾69.46万起，造成死亡5 325人，直接损失114.51亿余元[1]。由此可见，如何实现安全用电监测至关重要。物联网技术等相关技术的发展为安全用电实时监测提供了多种解决方案。其中，LoRa具有低功耗、远距离传输等优点，近年来在物联网远程传输领域被广泛应用[2-6]。

本文设计基于STM32单片机和LoRa的远程用电监测系统，该系统能实时检测电源线上的电能参数，具有下位机显示、远程通信及电脑上位机实时显示的功能，可用于校园、小区和商业楼等场景的安全用电管理。

1 系统硬件设计方案

图1为本文设计的LoRa远程用电监测装置实现框图。该系统以STM32F103C8T6核心板为控制核心，同时结合了电能采集传感器SUI-101A、LoRa通信、LCD显示、电源模块及其蜂鸣器模块。其中，STM32F103C8T6核心板是一款基于Cortex-M3内核的32位微控制器。

1.1 电能采集电路设计

本文采用了SUI-101A电能传感器作为电能采集电路的核心，使用全隔离采集方案，实现高低压完全隔离。传感器与电源线及其负载、单片机的电能采集电路连接图如图2所示。电源降压模块输出直流稳压5 V电源给传感器、继电器及单片机供电。其中，继电器控制着传感器的工作状态。为方便对特定用电器进行测量，在设计时对插座进行改装，插座电源线直接和传感器的电源采集线连在一起。当测特定负载时，直接在插座上给负载供电即可。

1.2 LoRa通信电路设计

LoRa是一种专门用于无线电扩频调制解调的通信技术，工作在ISM非授权频段上，采用了ISM频段射频SX1278扩频芯片，工作频率为410～441 MHz。文中采用了ATK-LoRa通信模块，可通过AT指令在线修改信道、发射功率、空中速率和工作模式等各种参数。有透明传输、定向传输，以及广播与数据监听3种模式。本设计中使用了透明传输模式。透明传输即数据透传，当2个LoRa通信模块具有相同地址、相同信道时，数据传输可以是字符或16进制数据格式。

1.3 蜂鸣器及LCD显示电路设计

通过GPIO口控制放大器的导通与截止，控制蜂鸣器。当单片机检测到用电器产生的功率超过设定的功率上限阈值时，会触发GPIO1口PA12产生高电平，使得放大器处于放大状态，蜂鸣器响。

LCD液晶屏利用串口作为通信接口，通过上位机对显示界面进行设计，利用串口把设计好的界面下载到屏幕。通过单片机控制串口传输数据，并在屏幕上实时显示。

2 系统软件设计

本系统的软件设计主要包括：用电监测硬件控制部分、信号处理与分析设计部分、LCD液晶屏上位机软件设计部分。硬件控制部分的软件设计在结构上分为主控程序、电量计算程序、LCD显示程序、STM32与LoRa模块的数据传输程序。

用电检测器在启动后，进入初始化状态，不断地通过电能采集模块采集电源线上的电能信息，经过处理并在LCD显示。然后通过LoRa模块发送数据，并利用电脑端连接的LoRa通信模块接收相应的数据。LoRa通信模块发送完一次数据后，系统会判断当前功率值是否超过设定的上限值，如果超过则触发蜂鸣器响，达到报警效果；否则，蜂鸣器不响，继续返回到开始电能采集的位置开始执行。简要的系统软件设计流程如图3所示。

2.1 电能采集软件设计

设计中用到的电能采集模块SUI-101A可实时测量交流电流、电压、有功功率、累计电量和频率等参数，提供标准通信接口。单片机通过控制串口给传感器发送数据请求命令，然后传感器对采集到的电能参量信息再次通过串口传回单片机进行分析处理。电能采集模块关键的数据请求和解析过程如下。

数据请求：

2.2 LoRa通信的软件设计

ATK-LoRa通信模块软件设计流程图如图4所示。透明传输时2个ATK-LoRa通信模块间的地址和通信信道相同。在单片机上开启串口3，PB10作TXD，PB11作RXD，MDO接单片机PA4，AUX接PA5。当AUX=0和MD0=1时ATK-LoRa通信模块通过单片机控制串口发送AT指令集来实现通信配置，且进入配置前设置通信波特率为115 200、校验位为8、位数据为1、位停止为无、无数据校验，发送AT指令等待模块的应答，应答成功则模块初始化成功。另外也可借助上位机和USB转TTL对ATK-LoRa通信模块进行快速配置，当AUX=0和MD0=0即能进入通信状态。

其中，ATK-LoRa通信模块基本配置实现核心代码如下

2.3 LCD液晶屏上位机软件设计

LCD上位机软件设计流程图如图5所示，打开USART HMI软件后，新建工程：设置好路径及名称，然后选择LCD型号和显示方向、字符编码GB2312。建立好工程后，切换到Program.s，在page指令前设置好界面的高度、宽度；数据传输波特率为9600。然后再制作字库添加进工程，接着设计菜单界面，添加显示控件，进入调试。调试成功后，把工程下载到LCD液晶屏，达到初步显示效果。

3 系统实现与测试

为实现系统软硬件测试并保证测试安全，本文借助隔离变压器作为保护点。通过隔离变压器给系统供电，借助继电器控制电能采集传感器工作，下位机测试时用热风枪作为测试电器。测试效果如图6所示。测出的数据有一定的波动，如实测得到的一组数据：电流3 285.76 mA，电压223.40 V，功率719.48 W，功率因数0.4，累计电能0.010 79 kW·h。热风枪工作时参考值电流4 A，电压220 V，功率700 W。由此可知，本文设计的装置测量得到的数据与实际数据接近。

进一步，打开电脑的软件串口调试助手或者ATK-LoRa上位机，用USB转TTL转换头把LoRa通信接收模块和电脑连接，实现测量数据的远程传输。

4 结束语

本文介绍了一种基于STM32单片机和LoRa的远程用电监测装置的软硬件设计过程，并通过系统测试验证了该装置的有效性。实验测试结果表明，该装置能实时检测到电源线上的电能参数，并具有下位机显示、远程通信以及上位机实时显示的功能。