基于STM32的智能家庭能源管理系统设计

目录

1. 引言
2. 系统设计
   1. 硬件设计
   2. 软件设计
3. 系统功能模块
   1. 能源监测模块
   2. 数据采集与处理模块
   3. 控制与调节模块
   4. 显示与报警模块
4. 系统实现
   1. 硬件实现
   2. 软件实现
5. 系统调试与优化
6. 结论与展望

1. 引言

随着家用电器种类日益增多及用电需求不断攀升，在智能家居时代背景下, 人类社会对高效节能型家庭能源管理系统的关注程度也不断提高

2. 系统设计

2.1 硬件设计

• 主控芯片：采用STM32F103单片机作为核心控制器，在数据采集与传输的同时完成信息处理与系统控制。
  • 电流传感器：通过ACS712或INA219电流传感器持续追踪家庭用电数据。
  • 电压传感器：实时监控电网电压状况并反馈至系统核心以维持供电安全。
  • 太阳能电池板与储能模块：实时监控发电状态并通过充放电模块实现能量储存规划。
  • 继电器模块：基于实时监测结果自动调节电力分配方案以确保设备正常运行。
  • LCD显示模块：提供直观的电力使用数据可视化界面以便随时掌握能源动态。
  • Wi-Fi模块：将实时监测数据上传至云端平台或智能手机APP实现远程监控功能。
  • 蜂鸣器模块：在检测到异常用电状况时通过蜂鸣器发出警报提示以保障安全运行。

2.2 软件设计

软件部分主要分为数据采集、处理与分析、控制和显示等模块：

• 数据采集模块：持续监测各项关键参数（包括但不限于电流、电压、太阳能发电量及电池状态），确保能源管理的全面覆盖。
  • 数据处理与分析模块：实时监控并评估采集数据的质量与完整性，在必要时触发警报程序以检测异常运行状态。
  • 控制与调节模块：基于数据分析结果实施智能自适应调控方案，在过载或其他异常情况下自动启动备用机制以维持稳定运行。
  • 显示模块：提供直观展示运行状况的人机交互界面（LCD显示屏），便于操作人员及时掌握系统各环节的状态信息。
  • 远程控制与监控模块：通过专用的远程管理平台实现云端实时监控，并支持用户通过手机APP进行远程设置与操作管理。

3. 系统功能模块

3.1 能源监测模块

该系统集成多种传感器技术以实现家庭电力管理。实时采集各用电设备的电流与电压参数，并同步记录太阳能发电的数据。完成信息收集与传输后，在STM32单片机上进行数据处理和分析。

• Real-time current monitoring (RTCM): Continuously assesses the operational status of individual appliances to comprehensively evaluate household power consumption.
  • Voltage management measures: Dynamically adjusts circuit parameters to maintain system voltage within a stable range, preventing overvoltage or undervoltage from damaging equipment.
  • Photovoltaic energy efficiency tracking system (PEETS): Real-time data collection and analysis of photovoltaic module output to determine energy conversion efficiency.

3.2 数据采集与处理模块

系统利用STM32的ADC接口进行模拟信号采集，并将电流与电压传感器输出的模拟电信号转换为数字形式；随后经过滤波、校准以及数据处理步骤进行分析

• 采样速率：系统定期进行数据采集（例如每隔5秒执行一次），从而持续跟踪并更新用电信息。
  • 数据分析过程：利用算法逻辑识别系统运行中的过载状态及电池电量耗尽的情况。

3.3 控制与调节模块

基于数据处理结果调节家用电器的开关状态。当遇到用电过高或电池电量不足等情况时,系统将自动关闭不必要的家用电器设备以节省能源,并启动储能装置以补充电力需求。

• 智能控制：一旦电力使用达到设定水平...系统会根据需要关闭部分家用电器并平衡电池的充电与放电状态。
  • 人工干预：用户可以通过按钮操作或远程应用程序启动或停止家用电器设备。

3.4 显示与报警模块

LCD显示模块持续更新能源消耗数据、光伏发电量以及储能电池充放电状态等关键参数，并借助蜂鸣器发出警报声

• 显示信息：该系统包含电流（A）、电压（V）值以及功率消耗情况（W），还包括太阳能发电量（kWh）等指标。
  • 报警功能：当系统触发过载（Overload）、过压（Overvoltage）检测以及电池电量不足（Low Battery Voltage）时，在蜂鸣器发出警报提示音的同时引导用户采取相应措施。

4. 系统实现

4.1 硬件实现

基于STM32F103单片机构建了硬件架构

4.2 软件实现

主程序框架 ：

 #include "stm32f10x.h"

    
 #include "lcd.h"
    
 #include "sensor.h"
    
 #include "wifi.h"
    
 #include "relay.h"
    
  
    
 float voltage, current, power, solar_power, battery_voltage;
    
  
    
 void System_Init(void) {
    
     LCD_Init();
    
     Sensor_Init();
    
     Relay_Init();
    
     Wifi_Init();
    
 }
    
  
    
 void Data_Acquisition(void) {
    
     voltage = Read_Voltage();
    
     current = Read_Current();
    
     solar_power = Read_SolarPower();
    
     battery_voltage = Read_BatteryVoltage();
    
 }
    
  
    
 void Data_Processing(void) {
    
     power = voltage * current;
    
  
    
     if (voltage > MAX_VOLTAGE || current > MAX_CURRENT) {
    
     Relay_Off();
    
     LCD_DisplayError("Overload or High Voltage");
    
     } else if (battery_voltage < MIN_BATTERY_VOLTAGE) {
    
     Relay_On();
    
     LCD_DisplayWarning("Low Battery");
    
     }
    
 }
    
  
    
 void Remote_Control(void) {
    
     Wifi_SendData(voltage, current, solar_power, battery_voltage);
    
 }
    
  
    
 int main(void) {
    
     System_Init();
    
  
    
     while (1) {
    
     Data_Acquisition();
    
     Data_Processing();
    
     Remote_Control();
    
     Delay(500);
    
     }
    
 }

代码功能描述 ：

1. System_Init() ：该函数负责配置LCD、各种传感器（包括电压和电流）、继电器以及Wi-Fi模块的运行。
2. Data_Acquisition() ：该过程从电压传感器、电流传感器以及太阳能传感器和电池传感器获取数据。
3. Data_Processing() ：通过分析采集的数据来判断是否需要关闭相关设备或启动电池充电/放电过程。
4. Remote_Control() ：利用Wi-Fi模块将数据传输至云端平台完成远程监控任务。

5. 系统调试与优化

当执行系统调试时

6. 结论与展望

本文开发了一款基于STM32的智能家居能源管理平台。该系统能够实时监测家庭用电量、光伏发电量及储能电池的状态，并能根据环境数据自动调节电力分配。通过配备先进的远程监控系统及便捷的操作界面，在线用户可随时掌握家中用电情况。未来研究团队计划持续优化升级该系统，在现有基础上增加更多类型的传感器及智能控制模块。预计通过这些改进措施提升系统的智能化水平和可靠性。