王晶晶

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)“單戶單表"制的單戶電能表功耗高、抄表量增大、管理繁瑣、實(shí)時(shí)性差等弊端，開發(fā)一種基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺(tái)的智能多用戶電表系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以STM32F10為主控制器，采用專用計(jì)量芯片ATT7022實(shí)現(xiàn)對(duì)多用戶的電量信息遠(yuǎn)程采集、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)，同時(shí)，通過Android SDK進(jìn)行手機(jī)APP軟件開發(fā)，方便用戶實(shí)時(shí)查詢，從而實(shí)現(xiàn)高效智能用 電。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，可移動(dòng)性強(qiáng)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞: 物聯(lián)網(wǎng)；Android；智能多用戶電表；STM32F107；ATT7022；APP

0引言

      物聯(lián)網(wǎng)已逐漸走進(jìn)智能電網(wǎng)的時(shí)代，傳統(tǒng)的“單戶單表"制電能表已不符合當(dāng)今社會(huì)追求的用電管理智能化、采集自動(dòng)化、能源節(jié)約化的理念。目前，人們利用手持移動(dòng)終端遠(yuǎn)程監(jiān)控家居狀況已成為一種迫切需求。用戶可以不受地域限制，只要在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域均可隨時(shí)隨地查看和管理電能表，實(shí)現(xiàn)信息交互，以達(dá)到智能化、節(jié)能化的目的。本文設(shè)計(jì)的智能多用戶電表，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅可“分戶用電、集中檢測(cè)"，有效提高電能計(jì)量準(zhǔn)確性，縮小整體體積；還可通過手持端對(duì)用電信息實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作簡(jiǎn)單。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

      依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，本文系統(tǒng)主要由手持客戶端、GPRS無(wú)線通信及多用戶電能表三部分組成。其中，多用戶電能表部分即為感知層，主要是完成對(duì)電能信號(hào)實(shí)時(shí)采集、處理及顯示存儲(chǔ)；GPRS無(wú)線通信部分即為網(wǎng)絡(luò)層，主要用于接收數(shù)據(jù)并通過無(wú)線網(wǎng)與手機(jī)客戶端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信；手機(jī)客戶端即為應(yīng)用層，主要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)交互，便于電力部門的管理，方便用戶使用。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 多用戶電能表設(shè)計(jì)

      本系統(tǒng)采用模塊化思想，由電源模塊、信號(hào)采集處理模塊、MCU控制模塊、通信模塊及顯示、存儲(chǔ)、時(shí)鐘、按鍵等外圍模塊組成。該系統(tǒng)采用互感方式將電路中的大電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成小信號(hào)經(jīng)多路選擇開關(guān)切換電壓、電流采樣輸出信號(hào)，采用專用計(jì)量芯片ATT7022，實(shí)現(xiàn)對(duì)多用戶電壓電流信號(hào)采集，然后以STM32F107為主控制器，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。顯示模塊主要直觀顯示用戶用電信息。RS485通信模塊實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)管理中心之間的數(shù)據(jù)傳輸和相關(guān)指令的接收。時(shí)鐘模塊為電能表提供時(shí)間基準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率打下基礎(chǔ)。存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)電能的保存。按鍵模塊用于用戶循環(huán)查詢用電信息。GPRS模塊主要通過信息傳輸，實(shí)現(xiàn)用戶通過手持端實(shí)時(shí)掌握用電信息變化。通斷控制模塊主要是用戶實(shí)際使用負(fù)載功率值超過系統(tǒng)設(shè)定的最大值時(shí)，電能表能夠控制繼電器自動(dòng)斷電，持續(xù)15s后，自動(dòng)送電。電源模塊由線路上220V的交流電首先通過降壓變換，而后經(jīng)過橋式整流，由穩(wěn)壓芯片得到所需要的電壓，同時(shí)具備掉電自動(dòng)切換到備用電池的功能，可以實(shí)現(xiàn)不間斷供電，防止數(shù)據(jù)丟失。多用戶電能表設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 多用戶電能表設(shè)計(jì)框圖

2.2 GPRS通信模塊

      通信芯片采用SIMCom公司的SIM900A，其屬于雙頻GSM/GPRS模塊，模塊接收速率可達(dá)到85.6kbit/s。另外，SIM900A內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，支持多IP連接，用戶可通過擴(kuò)展的TCP/IP AT 命令使用 TCP/IP通信協(xié)議，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。*采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，體積小、性價(jià)比高且能夠滿足用戶的多種需求。通信模塊SIM900A通過串口與控制芯片STM32相連，SIM900A管腳TXD，RXD分別與STM32管腳USART_RX，USART_TX相連。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 多用戶電能表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

      由于涉及的設(shè)計(jì)程序量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟件系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行程序編寫以實(shí)現(xiàn)正常、有序運(yùn)行。由主程序和各功能模塊子程序構(gòu)成，功能模塊包括用戶選通子程序、電能計(jì)量子程序、顯示模塊子程序、存儲(chǔ)模塊子程序、按鍵模塊子程序、通信模塊子程序。

      通過對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行控制及選通實(shí)現(xiàn)多用戶電能信號(hào)的采集，經(jīng)計(jì)量芯片接入至控制器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多用戶電能數(shù)字信號(hào)的處理及準(zhǔn)確計(jì)量，并控制外圍設(shè)備進(jìn)行信息的集中傳輸顯示和存儲(chǔ)。系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)多用戶用電量的精確計(jì)量又可以達(dá)到遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表和用電信息集中管理的目的，從而促進(jìn)智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化用戶用電管理。其主流程圖如圖2所示。

圖2 多用戶電能表軟件主程序流程圖

3.2 Android監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

      公司推出的Android操作系統(tǒng)是一款基于Linux內(nèi)核的自由及開放源代碼操作平臺(tái)，可通過An-droid專屬的軟件開發(fā)工具包Android SDK進(jìn)行手機(jī)APP 軟件開發(fā)。Android 系統(tǒng)構(gòu)架采用了分層模式的概念，由上至下依次為應(yīng)用程序?qū)?、?yīng)用程序框架層、Android 函數(shù)庫(kù)及運(yùn)行時(shí)、Linux內(nèi)核層，這種結(jié)構(gòu)模式各層之間相互獨(dú)立，減少相互依賴性，降低開發(fā)難度，便于更多開發(fā)。Android手機(jī)客戶端采用腳本語(yǔ)言完成界面設(shè)計(jì)，主要包含登錄界面、功能界面、參數(shù)設(shè)置及控制界面?？蛻舳斯δ苣K分為五部分：用戶信息、用電信息、支付情況、消息公告、附近發(fā)現(xiàn)。后臺(tái)管理系統(tǒng)主要功能模塊有四大部分：賬戶管理、數(shù)據(jù)管理、操作管理及數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)。Android客戶端與后臺(tái)進(jìn)行交互通信實(shí)現(xiàn)。用戶通過手持端能夠直觀地查看當(dāng)前用電量、當(dāng)前電費(fèi)余額、及當(dāng)前電價(jià)等信息，針對(duì)用電情況，可合理計(jì)劃用電，提高節(jié)能意識(shí)。系統(tǒng)登錄界面、用電信息界面曲線圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 登錄界面圖

4安科瑞AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)

4.1 系統(tǒng)方案

      系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺(tái)集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費(fèi)電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計(jì)量箱ADF300L系列，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)管理等功能。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，達(dá)到先交費(fèi)后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。

4.2 系統(tǒng)功能

      AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)由云平臺(tái)-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)電能表組成，通過通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報(bào)警等功能。

      本系統(tǒng)適用于一些大集團(tuán)和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費(fèi)和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財(cái)務(wù)操作分散，在線支付，總部財(cái)務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。

遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，快速便捷，免去人工抄表 。

水表預(yù)付費(fèi):可是查看某區(qū)域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設(shè)置水價(jià)控閥等操作。

遠(yuǎn)程售電:財(cái)務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對(duì)充值次數(shù)，方便快捷。

能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)付費(fèi)表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財(cái)務(wù)軌跡一體式綜合管理報(bào)表，包含用戶表的能耗、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財(cái)務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。

在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)在線自助充值水電費(fèi)，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用電情況。

短信提醒:金額不足或金額欠費(fèi)提醒、電表充值到賬提醒，都可及時(shí)短信通知商戶。

遠(yuǎn)程控制:可對(duì)任意一塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等一系列遠(yuǎn)程控制操作，方便管理。

4.3 產(chǎn)品選型

5結(jié)束語(yǔ)

      針對(duì)傳統(tǒng)的電能表的弊端，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺(tái)的智能多用戶電表系統(tǒng)，不僅能夠采集多用戶的用電參數(shù)，且用戶可通過手持端實(shí)現(xiàn)對(duì)用電信息的查詢、支付等功能，方便用戶生活。該系統(tǒng)體積小、功能強(qiáng)、可移動(dòng)性等特點(diǎn)，促進(jìn)資源節(jié)約，推進(jìn)智能化發(fā)展，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

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【2】劉利彬.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能抄表系統(tǒng)的研究[D].吉林：東北電力大學(xué)，2014.

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06