项目编号X604181。一套可复现的配电末端感知方案STM32F103C8T6 在本地完成电能采集与越限判据PZEM-004T 配合闭合式 CT 线圈完成电能量测ESP8266 经 MQTT 上送数据SpringBoot MySQL Bootstrap 管理端完成汇聚、可视与远程分断。一、项目基本情况1.1 方案要解决的问题城轨配电回路的电压偏差、电流过载与绝缘劣化往往先于故障显性化。人工巡检周期以天计而异常演化可能以分钟计——这一「时间尺度错配」是既有配电监测手段的共同短板。本项目把「本地判据」与「云端汇聚」放进同一条链路既保证告警的实时性又保留数据的可追溯性。1.2 硬件选型与选型理由器件型号 / 规格选型理由接口方式主控 MCUSTM32F103C8T6 核心板双串口资源恰好满足「电能模块 Wi-Fi 模块」两路独立通道GPIO 数量覆盖三路输出生态成熟、资料完备Keil 5 开发5 V Type-C 供电电能监测模块PZEM-004T改单模块同时输出电压、电流、功率、电能、频率、功率因数省去分立采样电路与计量标定串口互联TX → PA3RX → PA2接入 220 V 强电电流互感器闭合式 CT 线圈闭合式结构无需断开一次接线即可套入相线显著降低在既有配电柜上改造的施工难度CT / CT- 接入 PZEM-004T执行模块1 路光耦隔离继电器模块光耦隔离把强电侧浪涌与共模干扰挡在 MCU 之外IN ← PB10DC 5 V、DC- GNDNO / COM / NC 串入回路声报警有源蜂鸣器有源器件无需 MCU 产生载波一根 GPIO 即可驱动1 ← PB12 → GND光报警LED 指示灯就地状态指示绿 / 红双色区分正常与异常PB0 驱动串接 1 kΩ 限流传输模块ESP8266ESP-01S出厂固件即支持串口 AT 透传MQTT 由模组侧完成STM32 侧无需实现 TCP/IP 栈TX → PA9RX → PA103V3 / GND供电链路5 V Type-C SM-019-9V 隔离电源弱电与强电侧隔离输出 3.3 V / 5 V 双路—强电接口5 孔 10 A 插座模块免接线插拔负载便于演示与测试输入预留插头输出经继电器触点1.3 软件技术栈层次技术选型职责前端Bootstrap管理端布局、表单与列表渲染、曲线图展示后端SpringBootJeeSite 平台业务接口、权限与菜单、MQTT 客户端调度数据库MySQL终端信息、配置项、历史采样、告警记录持久化通信MQTT 3.1.1 发布 / 订阅硬件与服务的双向解耦通信可使用免费公共 Broker固件Keil 5C 语言STM32 侧采集、判据、执行与串口协议封装图 1 系统总体架构应用层 / 网络传输层 / 边缘计算层 / 感知执行层图 2 系统功能结构硬件系统 / 软件系统 / 交付服务二、系统架构设计2.1 四层架构与数据形态系统自上而下分为应用层、网络传输层、边缘计算层与感知执行层。有意思的是每一层之间流动的数据形态并不相同感知执行层 → 边缘计算层电气量电压 / 电流 / 功率 / 电能 / 频率 / 功率因数边缘计算层 → 网络传输层串口帧UART 异步串行网络传输层 → 应用层MQTT 报文TCP 之上的发布 / 订阅三种形态各自在层内封闭转换任一层的技术演进都不影响其余层的接口约定——这正是分层架构的价值所在。图 3 硬件系统原理框图标注为实际引脚连接2.2 引脚连接表核心下表为原理图上的实际连接关系已与交付原理图逐一核对。STM32 引脚连接对象方向说明PA2PZEM-004T RX输出向电能模块发送读取与配置指令PA3PZEM-004T TX输入接收电能模块回传的计量数据帧PA9ESP8266 RX输出向 Wi-Fi 模块下发待发送的 MQTT 报文PA10ESP8266 TX输入接收来自服务端的下行控制指令PB10继电器模块 IN输出经光耦隔离后驱动继电器线圈控制回路通断PB1有源蜂鸣器输出电压或电流越限时输出告警电平PB0LED 指示灯输出正常绿灯 / 异常红灯串接 1 kΩ 限流5 V / 3.3 V / GND各功能模块供电由 5 V Type-C 输入经隔离电源分配原理图上 STM32F103C8T6 以双列插针引出全部可用 IO已占用引脚均以网络标号显式标注图纸同时预留 ST-LINK 下载接口与 Micro-USB 供电入口。图 4 硬件原理图嘉立创 EDA 绘制Sheet 1/1REV 1.0图 5 整机俯视5 孔插座模块、闭合式 CT 线圈与控制板图 6 接线特写45° 视角2.3 通信协议配置帧、主题与报文#### 配置帧串口下发至 ESP8266实测照录config8266wifi1234567898.152.220.1411883xswsoftbs20262026end#帧以config起始、以end#结束字段以分隔字段含义如下位置取值含义1config帧头标识为参数配置帧28266wifiWi-Fi SSID出厂默认热点3123456789Wi-Fi 密码48.152.220.141MQTT Broker 主机亦可填域名51883MQTT 端口6xswsoftMQTT 用户名7bs设备口令 / 业务标识820262026认证密钥9end#帧尾#### 模组上电后的实际日志实测照录 Loaded Config # WiFi: 8266wifi# MQTT: 8.152.220.141:1883# User: xswsoft# # Connecting WiFi: 8266wifi# ....... WiFi connected!# IP: 192.168.137.128# CZDBH01_990020# Auto MQTT Info # MAC: 3C:61:05:DF:E0:0F# ClientID: ESP8266_3C6105DFE00F# Sub: mybs/3C6105DFE00F/ctr# Pub: mybs/3C6105DFE00F/data# # MQTT connecting..# success!# CZDBH01_990010##### MQTT 主题命名# 硬件上行设备 → Broker → 服务端 mybs/设备标识/data # 服务端下行服务端 → Broker → 设备 mybs/设备标识/ctr设备标识在出厂固件中取 ESP8266 的 MAC 地址去掉冒号分隔符如3C6105DFE00F亦可在服务端配置为自定义串号项目交付文档中出现过2462AB65F2F2形式。服务端只维护一张「设备标识 → 终端编号」映射表界面即可显示可读的终端名称。#### 上行报文字段服务端入库时落到的字段与界面历史数据表头一致。下面这段为字段结构示意数值取自界面上的实测采样记录键名以服务端源码为准{ device: ZDBH01, # 终端编号 voltage: 226.10, # 电压 (V) current: 0.000, # 电流 (A) power: 0.60, # 功率 (W) energy: 75, # 电能 (Wh) frequency: 50.0, # 频率 (Hz) pf: 0.20 # 功率因数 }图 7 数据交互时序用户 / Web 服务端 / MQTT Broker / 硬件节点图 8 串口调试助手配置实录2.4 数据模型数据表关键字段承载业务终端信息表终端编号、终端名称、安装地址、online、更新时间感知模块管理配置项表参数名称、类型、参数项、参数值、备注告警阈值管理历史数据表电压、电流、功率、电能、频率、功率因数、更新时间历史查询与曲线绘制告警记录表终端编号、终端名称、告警内容、更新时间告警记录查询与导出三、系统界面展示管理端为左侧固定导航 右侧内容区布局导航分「系统管理」与「业务管理」两级菜单。以下配图统一按「界面形态」呈现关键字段与实测数值以文字补充——后台截图在正文栏宽下会缩放到约 0.4 倍表格内小字号字段难以辨认。图 9 登录页图 10 系统主界面与导航结构图 11 系统管理功能组感知模块 / 告警阈值 / 用户管理3.1 告警阈值配置实测值参数名称类型参数项参数值含义电流阈值currentcurrent_max6电流上限 6 A电压阈值voltagethold_voltage_min198电压下限 198 V电压阈值voltagethold_voltage_max240电压上限 240 V需求文档给出的正常电压区间为 198 ~ 242 V与实测配置的 198 / 240 基本一致差异来自交付时对上限的保守设置。阈值可在界面修改并由服务端下发无需重新烧录固件。图 12 实时数据查询页六项指标、双曲线与参数配置3.2 实时指标实测值指标数值说明电压226.1 V处于 198 ~ 240 V 允许区间偏离标称 220 V 约 2.8%电流0.0 A该时刻空载功率0.6 W与空载静态功耗相符频率50.0 Hz与工频一致继电器闭合触点导通回路接通在线状态离线该时刻未与 Broker 保持连接显示为最近一次上报值图 13 历史数据查询页3.3 历史采样典型工况实测更新时间电压 (V)电流 (A)功率 (W)电能 (Wh)频率 (Hz)功率因数02:16:09226.100.0000.607550.00.2002:15:53226.100.0000.007550.00.0002:15:52222.306.8501554.457550.01.0002:15:48221.707.2001599.057450.01.0002:15:46221.807.2001600.157350.01.00带载段与空载段的电压差异不足 5 V而电流与功率的变化幅度接近三个数量级说明带载时功率因数的改善是主因电能累计值在带载段以每五秒约 1 Wh 的速率递增与 1600 W 量级的有功功率和采样间隔相互印证。图 14 告警记录查询页3.4 告警记录实测节选序号告警内容更新时间1电流异常当前电流为6.85A超过阈值2026-05-05 02:152电流异常当前电流为7.2A超过阈值2026-05-05 02:153电流异常当前电流为7.25A超过阈值2026-05-05 02:154电压异常当前电压为225.4V2026-05-05 02:015电压异常当前电压为-5.0V2026-05-05 01:51列表共 143 条记录。若需抑制瞬时扰动造成的告警风暴可在服务端侧增加持续时间门槛或去抖计数硬件侧采样周期与判据逻辑无需改动。-5.0 V一类无效读数集中在采样通道初始化阶段属上电过程正常现象。四、系统视频展示图 15 演示视频封面演示视频采用「屏幕录制 实机拍摄」双轨并行屏幕轨道记录管理端完整操作路径实机轨道同步拍摄 LED 指示、蜂鸣器发声与继电器动作。建议观看顺序整机与接线概览配网与上线配置帧下发 模组日志回传实时监测越限告警LED 转红 蜂鸣器 告警入库远程控制闭合 / 断开继电器历史检索与导出五、获取方法5.1 交付清单类别交付物硬件实物整机模块STM32 核心板 PZEM-004T 闭合式 CT 线圈 1 路光耦隔离继电器 蜂鸣器 LED ESP8266 5 孔 10 A 插座模块硬件资料嘉立创 EDA 原理图源文件、PDF、矢量图以及可直接打样的 Gerber 文件程序源码STM32 侧 Keil 5 工程、服务端 SpringBoot 工程与数据库脚本演示材料功能演示视频屏幕录制 实机拍摄双轨技术支持远程协助环境搭建、程序调试与问题答疑5.2 部署步骤下列命令中的占位参数需按实际环境替换数据库脚本、配置文件位置随源码一并提供。# 1) 导入数据库脚本 mysql -u 用户名 -p 数据库名 源码附带的数据库脚本.sql # 2) 修改服务端配置数据库连接与 MQTT 参数 # - MQTT Broker 地址 / 端口 / 用户名 # - 与硬件配置帧中第 4~8 字段保持一致 # 3) 启动服务端Maven 工程 mvn spring-boot:run # 4) 硬件侧用串口助手按 9600 / 8 / N / 1 下发配置帧 # configSSID密码Broker端口用户口令密钥end# # 观察到 MQTT connecting.. success! 即配网成功5.3 部署前确认网络2.4 GHz 频段无线网络调试期可用默认热点8266wifi/123456789苹果设备需开启热点最大兼容性MQTT可用免费公共 Broker亦可自建并替换配置帧中的主机与端口字段强电安全配电回路须断电接线继电器触点与 CT 线圈串接位置需在通电前复核强电裸露端子应做绝缘处理开发环境STM32 侧 Keil 5 ST-LINK服务端 JDK MySQL Maven5.4 获取方式源码获取、技术支持请联系 wx xswzls