宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對傳統(tǒng)“單戶單表”制的單戶電能表功耗高、抄表量增大、管理繁瑣、實時性差等弊端，開發(fā)一種基于物聯網Android平臺的智能多用戶電表系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以STM32F10為主控制器，采用專用計量芯片ATT7022實現對多用戶的電量信息遠程采集、數據顯示存儲，同時，通過Android SDK進行手機APP軟件開發(fā)，方便用戶實時查詢，從而實現高效智能用 電。測試結果表明，該系統(tǒng)實時性好，可移動性強，具有較高的應用價值。
關鍵詞: 物聯網；Android；智能多用戶電表；STM32F107；ATT7022；APP
物聯網已逐漸走進智能電網的時代，傳統(tǒng)的“單戶單表”制電能表已不符合當今社會追求的用電管理智能化、采集自動化、能源節(jié)約化的理念。目前，人們利用手持移動終端遠程監(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，只要在無線網絡覆蓋的區(qū)域均可隨時隨地查看和管理電能表，實現信息全方位交互，以達到智能化、節(jié)能化的目的。本文設計的智能多用戶電表，采用物聯網技術，不僅可“分戶用電、集中檢測”，有效提高電能計量準確性，縮小整體體積；還可通過手持端對用電信息實時監(jiān)控，操作簡單。
依據物聯網體系架構，本文系統(tǒng)主要由手持客戶端、GPRS無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，主要是完成對電能信號實時采集、處理及顯示存儲；GPRS無線通信部分即為網絡層，主要用于接收數據并通過無線網與手機客戶端進行網絡通信；手機客戶端即為應用層，主要完成監(jiān)測數據交互，便于電力部門的管理，方便用戶使用。
2系統(tǒng)硬件設計
2.1 多用戶電能表設計
本系統(tǒng)采用模塊化思想，由電源模塊、信號采集處理模塊、MCU控制模塊、通信模塊及顯示、存儲、時鐘、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轉換成小信號經多路選擇開關切換電壓、電流采樣輸出信號，采用專用計量芯片ATT7022，實現對多用戶電壓電流信號采集，然后以STM32F107為主控制器，對采樣數據進行處理。顯示模塊主要直觀顯示用戶用電信息。RS485通信模塊實現與數據管理中心之間的數據傳輸和相關指令的接收。時鐘模塊為電能表提供時間基準，為實現多費率打下基礎。存儲單元實現電能的永久保存。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，實現用戶通過手持端實時掌握用電信息變化。通斷控制模塊主要是用戶實際使用負載功率值超過系統(tǒng)設定的最大值時，電能表能夠控制繼電器自動斷電，持續(xù)15s后，自動送電。電源模塊由線路上220V的交流電首先通過降壓變換，而后經過橋式整流，由穩(wěn)壓芯片得到所需要的電壓，同時具備掉電自動切換到備用電池的功能，可以實現不間斷供電，防止數據丟失。多用戶電能表設計框圖如圖1所示。
圖1 多用戶電能表設計框圖
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，模塊接收速率可達到85.6kbit/s。另外，SIM900A內嵌TCP/IP協(xié)議，支持多IP連接，用戶可通過擴展的TCP/IP AT 命令使用 TCP/IP通信協(xié)議，方便用戶進行數據傳輸。完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，體積小、性價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)軟件設計
3.1 多用戶電能表系統(tǒng)軟件設計
由于涉及的設計程序量大、結構復雜，軟件系統(tǒng)采用模塊化的設計方案進行程序編寫以實現正常、有序運行。由主程序和各功能模塊子程序構成，功能模塊包括用戶選通子程序、電能計量子程序、顯示模塊子程序、存儲模塊子程序、按鍵模塊子程序、通信模塊子程序。
通過對多路信號進行控制及選通實現多用戶電能信號的采集，經計量芯片接入至控制器系統(tǒng)實現對多用戶電能數字信號的處理及準確計量，并控制外圍設備進行信息的集中傳輸顯示和存儲。系統(tǒng)不僅可以實現多用戶用電量的精確計量又可以達到遠程自動抄表和用電信息集中管理的目的，從而促進智能電網的實現，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)控終端設計
Google公司推出的Android操作系統(tǒng)是一款基于Linux內核的自由及開放源代碼操作平臺，可通過An-droid專屬的軟件開發(fā)工具包Android SDK進行手機APP 軟件開發(fā)。Android 系統(tǒng)構架采用了分層模式的概念，由上至下依次為應用程序層、應用程序框架層、Android 函數庫及運行時、Linux內核層，這種結構模式各層之間相互獨立，減少相互依賴性，降低開發(fā)難度，便于更多開發(fā)。Android手機客戶端采用腳本語言完成界面設計，主要包含登錄界面、功能界面、參數設置及控制界面。客戶端功能模塊分為五部分：用戶信息、用電信息、支付情況、消息公告、附近發(fā)現。后臺管理系統(tǒng)主要功能模塊有四大部分：賬戶管理、數據管理、操作管理及數據查詢統(tǒng)計。Android客戶端與后臺進行交互通信實現。用戶通過手持端能夠直觀地查看當前用電量、當前電費余額、及當前電價等信息，針對用電情況，可合理計劃用電，提高節(jié)能意識。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
4.1 系統(tǒng)方案
系統(tǒng)為B/S架構，主要包括前端管理網站和后臺集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統(tǒng)，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關閥。
4.2 系統(tǒng)功能
AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網關-預付費電能表組成，通過通信網絡完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報警等功能。
本系統(tǒng)適用于一些大集團和大物業(yè)，往往需要將多個物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費和管理，面臨著數據公網傳輸，財務操作分散，在線支付，總部財務扎口等復雜的需求。
遠程集中抄表：抄表信息通過網關實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。
水表預付費:可是查看某區(qū)域水表的實時狀態(tài)信息，并可以進行單表或批量設置水價控閥等操作。
遠程售電:財務集中管理，電量實時下發(fā)，并比對充值次數，方便快捷。
能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務數據、能耗和財務的期初期末值等數據。
在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現在線自助充值水電費，也可以實時關注商鋪用水用電情況。
短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。
遠程控制:可對任意一塊電表執(zhí)行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。
4.3 產品選型
針對傳統(tǒng)的電能表的弊端，本文提出的基于物聯網Android平臺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，且用戶可通過手持端實現對用電信息的查詢、支付等功能，方便用戶生活。該系統(tǒng)體積小、功能強、可移動性等特點，促進資源節(jié)約，推進智能化發(fā)展，具有較高的應用價值和社會經濟價值。
【參考文獻】
【1】周克良，聶叢楠，邢素林.基于物聯網Android平臺的智能多用戶電表系統(tǒng)設計
【2】劉利彬.基于物聯網技術的智能抄表系統(tǒng)的研究[D].吉林：東北電力大學，2014.
【3】安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06
作者簡介：宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究中低壓綜合保護及絕緣監(jiān)測系統(tǒng)， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）