STM32+MQTT能源管理系统的设计及应用

摘要：目前，在我国的能源消耗中，工业企业是主要群体，其能源消耗量约占国内能源消耗总量的70%[1]左右。因此，在企业管理的过程中，进行有效的能源管控，可以帮助企业降低生产成本，提高企业能源管理水平。基于STM32+MQTT的能源管理系统可有效帮助企业进行能源能耗实时监控、能耗大数据分析、单位能耗优化等，为企业经济用能、合理用能提供科学的策略，从而达到科学合理进行能源规划和利用，降低生产过程中每个单位产能的消耗，提高经济效益，有效减少排放量等目的。

关键词：Modbus；MQTT；无线通信；星型网络；智能管理器；智能表计；能耗优化

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.04.046

中图分类号：TN 929.5，TP 368.1，TP391.44" " " " 文献标示码：A" " " " 文章编码：1672-7274（2023）04-0-03

Design and Application of STM32+MQTT Energy Management System

ZHOU Ji， CAI Yongxiang，" HUANG Heng

（Guangdong Changying Technology Co.， Ltd.， Maoming 525000， China）

Abstract： At present， among the energy consumption in China， industrial enterprises are the main group of energy consumption， accounting for about 70% of the total domestic energy consumption[1]. The energy management system based on STM32+MQTT can effectively help enterprises to conduct real-time monitoring of energy consumption， energy consumption big data analysis， unit energy consumption optimization， etc.， and provide scientific strategies for enterprises to use energy economically and rationally， so as to achieve scientific and reasonable energy planning and utilization， reduce the consumption of each unit of production capacity in the production process， improve economic efficiency， and effectively reduce CO2 emissions.

Key words： Modbus; MQTT; wireless communication; star network; intelligent manager; intelligent meter; energy consumption optimization

目前，在我国的能源消耗中，工业企业是主要群体，其能源消耗量约占国内能源消耗总量的70%[1]左右。2021年，我国能源消费较快增长，全年能源消费52.4亿吨标准煤，同比增长5.2%，增速比2020年提升3.0个百分点，非化石能源消费比重比2020年提高0.7个百分点。

在能源消耗增长的同时，价格也在增长。以2022年9月上半月为例，澳大利亚纽卡斯尔港煤炭期货平均价格为438美元/吨（折合人民币超过3 000元/吨），同比上涨158%。英国、法国、德国市场交易电价涨至2021年同期的4～10倍。我国也受到同样大的影响，2022年内油价上涨8次，电力价格也出现大幅度的波动。

在能源成本上涨的情况下，工业企业能源使用需要精打细算。而企业能源信息缺失，计量检测点配备不足、计量设备精准度不高、计量数据失真、人工抄表可靠性低等原因都会导致能源的浪费。

1" 应用技术介绍

1.1 MQTT协议

MQTT全称为Message Queuing Telemetry Transport（消息队列遥测传输），是一种基于发布/订阅范式的二进制“轻量级”消息协议，由IBM公司发布，是针对网络受限和嵌入式设备而设计的一种数据传输协议[2]。MQTT的最大优点在于，能够以极少的代码和有限的带宽为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通信协议，其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用[3]。

1.2 Modbus协议

Modbus是一种开放协议，已成为工业中的标准通信协议。它是连接工业电子设备的最常用方法，被许多行业的制造商广泛使用[4]。其主要用于将来自仪表和控制设备的信号传输回主控制器或数据采集系统。

1.3 智能管理器

智能管理器是一个Modbus主机，具有本地计算、存储、处理等功能。其在本地采集Modbus设备数据，然后通过本地计算、存储，最后通过协议转换，通过MQTT协议主动将数据传送到能源管理系统，可以实现数据秒级上报。

2" 能源管理系统的设计

2.1 能源管理系统建设目标

通过对能源使用进行规划、监控、统计和分析，对重点能耗设备和能源计量设备管理等方法，让企业管理者对企业的能源消耗成本占比、能源消耗趋势有比较准确的掌控，然后根据所撑控的情况将能源使用计划分配到各个能耗车间，让每个用能部门明确工作责任，促进企业健康稳定地发展。实现的目标包括：电能和燃气能的各项能耗数据清晰化和透明化；为企业的生产设施能源系统进行精细设计和降耗改造提供依据；分析能耗总量统计和趋势；优化能耗成本结构；通过趋势记录助力优化资源和业务模式规划升级。

2.2 数据采集整体拓扑

STM32+MQTT能源管理系统通过单片机采用的Modbus协议和消息传输MQTT协议实现能源实时数据采集。网络中各采集点通过智能采集器直连表计的RS485接口进行数据采集，然后通过窄带无线通信技术组网把数据上报到对应的智能管理器，再经由内部网络汇总到厂区内部平台的服务器，进行统一的数据展示。整体网络拓扑图1所示。

2.3 无线网络组建

在生产区的机房安装中心收发智能管理器，接收全生产区分散在各处的表计上报数据，中心收发器直接连接到生产区的服务器，完成整个监测平台的数据收集、整理、分析、展示工作。

生产区服务器通过光纤连接到办公区的机房，使得办公区也能实现直接访问监测平台获取所需数据。其方便了电解数据采集大平台与本系统进行接口对接，获取所需数据进行大数据分析。

以其中两套组网为例。1#中心收发器与多个1#节点收发器的设备相互认证组成第一个星形网络，2#中心收发器与多个2#节点收发器的设备相互认证组成第二个星形网络。组建网络的方式如图2所示。

2.4 电量数据采集

在每个配电房安装小电箱，220 V电源接入到配电箱中，配电箱中以导轨方式安装智能采集器、导轨式开关电源、空气开关，智能采集器连接配电房中所需采集表计的RS-485接口。智能采集器通过LORA网络直接把数据推送到生产机房的中心收发智能管理器，完成数据的采集上报过程。

2.5 天然气数据采集

在防爆电箱内以导轨方式安装智能采集器、导轨式开关电源、空气开关，智能采集器连接调压站中所需采集的天然气表的RS-485接口。智能采集器通过LORA网络直接把数据推送到生产机房的中心收发智能管理器，完成数据的采集上报过程。

3" 系统功能

3.1 监控仪表台

展示能源体系中智能电表、燃气表的整体耗能情况，如电流、电压、电量、功率因子、燃气流量等信息，可以查看智能电表、燃气表每个分区的实时数据。

3.2 智能电表监控

系统显示一级配电所中的智能电表的实时电流、电压、电量、功率因子等信息。若数值超过预设阈值，则在顶部优先显示，并对超标值标红显示，可通过名称搜索指定监控点的数据。

3.3 智能电表阈值设置

展示电表监测点的名称、当前电流、电压等信息的上限、下限及超限时长的阈值，管理员可针对其中单个或批量选择的监测点设定压力报警的上下限及超限多长时间后报警。

3.4 网关管理

通过网关对分散在各处的智能采集器进行统一集中管理，协助用户在海量终端设备中快速检索到指定设备，进行状态监控、调试、维护。

3.5 设备台账管理

查询显示各采集器及其下级的传感器设备的名称、编号、计量类型、运行状态信息、所属分类、位置信息等，可整体了解所有的设备清单及从属关系信息。

3.6 智能表参数统计

通过选择所需统计的电表、统计时间、统计方式（按时、日、月、年）等，以表格或线性图的方式显示各智能电表监测点的平均电压、电流、电量、功率因子等信息统计结果，用户也可对查询结果导出或打印。

3.7 自动报警

当系统识别到智能电表或燃气表采集的数据超过预设阈值指定时长、或硬件设备出现故障时，会在右下角自动弹窗提示报警信息，并发出报警音提示监控人员及时查看。

4" 能源管理系统效益

4.1 对能耗设备的能效进行持续改善

监测企业所有能耗设备的实时情况，对能效参数进行实时监测并及时发现无效用能的环节，通过持续的监测不断进行改善。

4.2 让设备的效益得到充分的发挥

为企业的能耗管理提供全面、全过程的实时监测，提供具有实时性的能耗和能效分析工具，建立所有节能设备应用前后的能耗数据比对分析和能耗管理档案。

4.3 为节能设备的持续有效果运行提供保障

实时监测能耗设备的运行情况，当设备的运行环境发生变化时以最优的方式调整运行参数；对设备建立档案，方便设备的维修和维护；通过对设备能耗数据的收集和分析，对设备的能耗情况和节能的有效性给出科学和合理的评价结论，并针对实际的情况给出改善建议[5]。

5" 结束语

综上所述，通过能源管理系统的应用，可以有效帮助企业进行能源能耗实时监控、能耗大数据分析、单位能耗优化等，为企业经济用能、合理用能提供科学的策略，从而达到科学合理进行能源规划和利用，降低生产可程中每个单位产能的消耗，提高经济效益，有效减少排放量等目的。■

参考文献

[1] ECM工业能耗管理云平台应用案例[DB/OL].https：//www.sohu.com/a/421448422_120619718.

[2] 浅谈MQTT协议[DB/OL].https：//juejin.cn/post/7139180637176463368.

[3] MQTT协议[DB/OL].https：//blog.csdn.net/weixin_45590051/article/details/118979197.

[4] Modbus通讯协议详解（Modbus用途及工作原理）[DB/OL].https：//www.key-iot.com/hyzs/678.html.

[5] 大型化工企业能源管理系统的设计与实现[DB/OL].https：//www.docin.com/p-1318199290.html.