一种基于双MCU的智慧用电安全监测系统的制作方法

一种基于双mcu的智慧用电安全监测系统
技术领域
1.本技术属于嵌入式系统设计技术领域，具体涉及一种基于双mcu的智慧用电安全监测系统。


背景技术：

2.随着社会经济不断的发展，人民生活水平也日益提高，许多家庭都会购置多种多样的用电设备，提高家居生活的便捷性与舒适性。同时，也会增加室内电路布局的复杂程度，从而导致家庭用电安全隐患的增加，室内用电设备安全隐患对人民的财产安全和生命安全构成了巨大威胁。
3.常见的室内家用安全保护装置是空气开关，工作原理是当主电路中的电流过载时，会自动断开，从而实现安全用电。但是空气开关的功能比较单一，只在电路过载的时候起作用，而例如漏电、温度过高的的电路异常现象就无法响应。并且无法做到对电路的实时监测，以及及时上报危险情况，智能化程度不够高。
4.现有的一些多功能电路监测装置，通常需要利用许多传感器对主电路进行监测，这就需要对现有的电路进行改动。并且由于传感器数量太多，装置的集成化程度不高，体积也比较大，需要额外的安装架。影响居民的正常生活空间。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于双mcu的智慧用电安全监测系统，选择非侵入式的传感器对主电路的用电情况进行监测，并通过双mcu完成数据的采样、处理与上传，提高监测系统的响应速度。
6.一种基于双mcu的智慧用电安全监测系统，包括本地监测系统与云端服务器。所述本地监测系统包括信息采集模块、双mcu模块、通信模块、控制模块和电源模块。
7.所述电源模块为本地监测系统中的其他模块提供稳定的工作电压。
8.所述信息采集模块用于采集主电路中的实时电流和漏电电流，传输到双mcu模块进行处理。
9.作为优选，信息采集模块通过零序电流传感器采集主电路的漏电电流，通过霍尔电流传感器采集主电路的实时电流。
10.进一步的，霍尔传感器的输出信号经过放大后再输入双mcu模块。
11.所述双mcu模块包括dsp模块和stm32模块。所述dsp模块对信息采集模块传输的实时电流进行采样、滤波，计算主电路当前的特征信息，然后打包传输到stm32模块中。
12.所述stm32模块接收dsp模块打包后的特征信息与信息采集模块采集的漏电电流，通过通信模块上传到云端服务器中，并接收云端服务器返回的信号，对控制模块进行控制，实现主电路电源的开关。
13.在dsp模块进行信息处理的同时，stm32模块驱动通信模块与云端服务器连接，dsp模块处理后的特征信息能第一时间传输到云端服务器。如果一段时间没有收到dsp模块传
输的特征信息，stm32模块会重启dsp模块，如果执行重启操作后仍然未收到特征信息，stm32模块会通过通信模块向云端服务器发送报警信号。
14.作为优选，通信模块通过以太网控制器，实现控制模块与云端服务器的有线信息传输。
15.云端服务器中存储有多种用电设备的工作模型，通过对比接收的特征信息与存储的模型参数，判断用电设备的类型。设置阈值a＜阈值b，当云端服务器接收到的漏电电流大小为0时，设备正常运行；当漏电电流大于阈值a且小于阈值b时，向用户发送用电设备名称与危险警报；当漏电电流大于阈值b时，向用户发送用电设备名称与危险警报，并且向stm32模块发送控制信号，令控制模块切断主电路电源。当云端服务器接收到stm32发送的报警信号时，向用户发送提示信息。
16.作为优选，stm32模块中通过发光二极管指示用电设备的工作状态，以及本地监测系统与云端服务器的信息传输状况。
17.本发明具有以下有益效果：
18.1、基于双mcu的智慧用电安全监测系统将家用电器用电安全与云端技术结合，通过双mcu芯片，使分析效率更高，数据处理更快，可靠性更强，真正做到了实时监测家用电器，设备威胁报警的智能用电监测系统。
19.2、当dsp模块出现故障时，可以通过stm32模块对其进行重启设置，系统具有一定的自修复能力，可以提高系统稳定性，减少人工维修耗费的精力。
附图说明
20.图1为基于双mcu的智慧用电安全监测系统；
21.图2为实施例中电源模块电路原理图；
22.图3为实施例中信息采集模块电路原理图；
23.图4为实施例中控制模块电路原理图；
24.图5为实施例中通信模块电路原理图；
25.图6为实施例中dsp模块电路原理图；
26.图7为实施例中stm32模块电路原理图。
具体实施方式
27.以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
28.如图1所示，一种基于双mcu的智慧用电安全监测系统，包括本地监测系统与云端服务器。所述本地监测系统包括信息采集模块、dsp模块、stm32模块、通信模块、控制模块和电源模块。
29.电源模块为本地监测系统中的其他模块提供稳定的工作电压。信息采集模块通过霍尔电流传感器采集主电路的实时电流，传输给dsp模块进行处理；通过零序电流传感器采集主电路的漏电电流，传输给stm32模块进行处理。dsp模块对主电路的实时电流进行采样、滤波处理后，计算出主电路当前的特征信息，然后打包传输到stm32模块中。在dsp模块进行信息处理的同时，stm32模块驱动通信模块与云端服务器连接，当接收到来自dsp模块的特征信息后马上传输给云端服务器，节约信息传输的时间。云端服务器将接收的特征信息与
存储的模型参数进行比较，判断主电路中的用设备类型名称，并根据漏电电流的大小判断用电设备的工作状态，当漏电电流大小为0时，设备正常运行；当漏电电流大于阈值a且小于阈值b时，向用户发送用电设备名称与危险警报；当漏电电流大于阈值b时，向用户发送用电设备名称与危险警报，并且向stm32模块发送控制信号，令控制模块切断主电路电源。
30.如果stm32模块一段时间没有接收到来自dsp模块的特征信息，会对dsp模块执行重启操作，如果执行重启操作后仍然未收到特征信息，stm32模块会通过通信模块向云端服务器发送报警信号。云端服务器接收到来自stm32的报警信号后，会向用户发送提示信息，提醒用户检查本地监测系统。
31.如图2所示，电源模块包括5v-3.3v电源电路、3.3v-1.9v电源电路和5v-2.5v电源电路，分别通过ams1117-33、ams1117-18正向低压降稳压器和ref3025基准电压芯片，将5v、3.3v的输入电压转换为3.3v、2.5v和1.9v的输出电压，从而为本地监测系统中的其他模块提供稳点的工作电压。
32.所述5v-3.3v电源电路中，开关s1的2脚与主电源连接，3脚向第六稳压器u6的3脚输出5v电压。第六稳压器u3的3脚与第三十七电容c37的正端、第三十八电容c38的一端连接；1脚与第三十七电容c37的负端、第三十八电容c38的另一端、第三十九电容c39的一端以及地连接；4脚与第三十九电容c39的另一端以及2脚连接。2脚与第十九电阻r19的一端连接，并输出3.3v电压。第一二极管d1的正、负极分别与第十九电阻r19的另一端、第三十九电容c39的另一端连接，用于指示第六稳压器u6是否成功将5v输入电压降为3.3v输出电压。
33.所述3.3v-1.8v电源电路中，第八稳压器u8的3脚输入3.3v电压，1脚与第四十二电容c42的一端以及地连接，4脚与第四十二电容c42的另一端以及2脚连接；2脚输出1.9v电压。
34.所述5v-2.5v电源电路中，第七稳压器u7的1脚与第四十电容c40的一端连接，并输入5v电压；3脚与第四十电容c40的另一端、第四十一电容c41的一端以及地连接；2脚与第四十一电容c41的另一端，并输出2.5v电源。
35.如图3所示，所述信息采集模块包括漏电电流采集电路和电流采集电路。所述漏电电流采集电路通过零序电流传感器采集主电路的漏电电流，输入stm32模块中。所述电流采集电路通过霍尔电流传感器采集主电路中流过的电流，经过放大运算后输入dsp模块。使用的运算放大器型号为opa2333a。
36.所述电流采集电路中，霍尔电流传感器u3的1脚与第十、第十一电容c10、c11的一端以及5v电压连接；2脚与第十、第十一电容c10、c11的另一端以及模拟地连接。4脚与第十二、十三电容c12、c13的一端以及2.5v电压连接。第十二、十三电容c12、c13的另一端与地连接。霍尔电流传感器u3的3脚通过第十五电阻r15与第四运放u4的5脚相连。第四运放u4的1脚与dsp芯片u1的68脚连接，输出过零检测结果；2脚与第九、第十电阻r9、r10的一端连接。第九、第十电阻r9、r10的另一端分别与2.5v电压、地连接。第四运放u4的3脚通过第十八电阻r18与7脚连接，通过第十七电阻r17与1脚连接；4脚与地连接，5脚通过第十六电阻r16与地连接。8脚与3.3v电压以及第十四电容c14的一端连接，第十四电容c14的另一端与地连接。第四运放u4的6脚与第十三、第十四电阻r13、r14的一端连接。第十三电阻r13的另一端与第四运放u4的7脚以及第十五电容c15、第十六电容c16、第十一电阻r11的一端连接。第十四电阻的另一端通过第十七电容c17连接到模拟地。第十一电阻r11的另一端与第十八电容
c18、第三二极管d3的负极连接。第十五、十六、十八电容c15、c16、c18的另一端和第三二极管d3的正极与地连接。第三二极管d3的负极连接与dsp芯片u1的42脚连接，输出放大后的电流检测结果。
37.所述漏电电流采集电路中，零序电流传感器p3的1脚与第八电阻r8的一端以及单片机芯片u1的34脚连接，输出漏电电流检测结果；2脚与第八电阻r8的另一端以及地连接。
38.所述控制模块使用型号为s8050 j3y的三极管与型号为srd-05vdc-sl-c的继电器组成交流接触器。如图4所示，来自单片机芯片u1的控制信号分别通过第二十三、二十四电阻r23、r24与第二三极管q2的基极、发射极连接。第二三极管q2的发射极与地连接，集电极与继电器m1的3脚、第四二极管d4的正极连接。继电器m1的1脚与主电路的零线连接，2脚与5v电压和第四二极管d4的负极连接，4脚接入主电路开关。当云端服务器判断漏电电流的大小不超过阈值b时，单片机芯片u1的67脚输出低电平，第二三极管q2不导通，继电器m1处于默认的闭合状态，主电路继续正常工作。当云端服务器判断漏电电流的大小超过阈值b时，单片机芯片u1的67脚输出高电平，第二三极管q2导通，继电器m1由闭合状态切换到断开状态，主电路断电，实现电路保护。
39.所述通信模块实现控制模块与云端服务器的有线信息传输，主要包括型号为w5500的网卡芯片和型号为hr911105a的网络变压器，使用3.3v电压进行工作，时钟信号由25mhz的晶振提供。如图5所示，通信模块中，电源模块输出的3.3v电压经过第二十五电阻r25后变为3.3v模拟电压。网卡芯片u5的4脚、8脚、11脚、15脚、17脚、21脚与3.3v模拟电压连接后再分别通过第二十一、二十二、二十三、二十四、二十五、二十六电容c21、c22、c23、c24、c25、c26连接到地；22脚、20脚分别通过第三十一、三十二电容c31、c32连接到地；10脚、23脚、38脚、39脚、40脚、41脚、42脚分别通过第三十三、三十四、三十六、三十七、三十九、四十、四十二电阻r33、r34、r36、r37、r39、r40、r42连接到地；3脚、9脚、14脚、16脚、19脚、48脚直接与地连接；32脚、33脚、34脚、35脚、36脚、37脚分别与单片机芯片u1的39脚、30脚、31脚、32脚、29脚、38脚连接。32脚、36脚、37脚再分别通过第二十九、第二十八、第二十七电阻r29、r28、r27连接到3.3v电压；31脚与第三十电阻r30、第二晶振y2的一端连接后，再通过第二十七电容c27连接到地；30脚与第三十电阻r30、第二晶振y2的令一端连接后，再通过第二十八电容c28连接到地；29脚与第二十九、三十电容c29、c30的一端以及地连接；28脚与第二十九、三十电容c29、c30的另一端以及3.3v电压连接；43脚、44脚、45脚分别通过第四十六、四十五、四十四电阻r46、r45、r44连接到3.3v电压；25脚、27脚分别通过第十二、二十电阻r12、r20与网络变压器jp1的10脚、11脚连接；5脚、6脚分别通过第三十六、三十四电容c36、c34与网络变压器jp1的3脚、6脚连接。第三十一电阻r31的一端与网卡芯片u5的1脚、网络变压器jp1的2脚连接，另一端与3.3v电压连接。第三十二电阻r32的一端与网卡芯片u5的2脚、网络变压器jp1的1脚连接，另一端与3.3v电压连接。第三十八、四十一电阻r38、r41的一端通过第三十五电容连接到地，另一端分别与网卡芯片u5的6脚、5脚连接。网卡芯片u5的的其余引脚置空。网络变压器jp1的4脚通过第一电感l1连接到3.3v电压，通过第三十三电容c33连接到数字地。网络变压器jp1的9脚、12脚直接与3.3v电压连接，7脚、8脚置空。网卡芯片u5与单片机芯片u1之间通过spi协议进行通信。
40.所述dsp模块由型号为tms320f28335的dsp芯片及其外围电路构成，时钟信号由30mhz的晶振提供，工作电压为1.9v和3.3v。通过dsp模块对主电路电路进行采样、滤波，然
后打包发送给stm32模块，再由stm32模块完成上传，云端服务器进行用电设备类型识别。如图6所示，dsp芯片u2的55脚、56脚、57脚分别通过第十九电容c19、第二十电容c20、第六电阻r6连接到地，43脚直接连接到地；3脚、8脚、14脚、22脚、30脚、60脚、70脚、83脚、92脚、103脚、105脚、106脚、108脚、118脚、120脚、125脚、140脚、144脚、147脚、155脚、160脚、166脚、171脚直接连到地；104脚与第三晶振y3的一端连接后通过第五十四电容c54连接到地，102脚与第三晶振y3的另一端连接后通过第五十五电容c55连接到地；31脚、59脚直接连接到1.9v电压；32脚、58脚、33脚、44脚直接连接到地；34脚、45脚直接连接到3.3v电压；84脚、9脚、71脚、93脚、107脚、121脚、143脚、159脚、170脚直接连接到3.3v电压；4脚、15脚、23脚、29脚、61脚、101脚、109脚、117脚、126脚、139脚、146脚、154脚、167脚连接到1.9v电压；25脚、26脚、142脚分别通过第五十三、五十四、五十二电阻r53、r54、r52连接到3.3v电压；2脚和141脚分别与单片机芯片u1的69脚、68脚连接。80脚与单片机芯片u1的55脚连接后，再通过第六十九电阻r69连接到3.3v电压。
41.所述stm32模块使用型号为stm32f103vct6的主控芯片，配合外围电路，驱动通信模块，实现本地监测系统与云端服务器之前的通信，并且通过控制模块对主电路进行开关控制。stm32模块与dsp模块通过串口协议进行通信。如图7所示，单片机芯片u1的6脚、11脚、21脚、22脚、29脚、50脚、75脚、100脚接3.3v电压，10脚、19脚、20脚、27脚、49脚、74脚、94脚直接接地；12脚与第二电阻r2的一端、第一晶振y1的一端连接后，通过第四电容c4直接接地；13脚第二电阻r2的另一端、第一晶振y1的另一端连接后，通过第五电容c5直接接地；14脚与第一电阻r1、第三电容c3以及按键reset1的一端连接。第一电阻r1的另一端与3.3v连接，第三电容c3和按键reset1的另一端均接地，用于对stm32模块手动复位，第一晶振y1的频率为8mhz，为stm32模块提供时钟信号。单片机芯片u1的11脚、22脚、28脚、50脚、75脚和100脚分别通过第六电容c6、第七电容c7、第八电容c8、第九电容c9、第二电容c2、第一电容c1连接到地。第五、第六、第七二极管d5、d6、d7的负极分别与单片机芯片u1的44、45、46脚连接，正极分别通过第三、第四、第五电阻r3、r4、r5连接到3.3v电压。其中五、第六、第七二极管d5、d6、d7分别为蓝色、红色、绿色，用于指示系统工作状态。当蓝色长亮，表示本地监测系统已与云端服务器连接；当红色长亮，表示主电路中的用电设备或dsp模块工作异常。当绿色长亮，表示主电路中的用电设备正常工作。