本項(xiàng)目是由山東科技大學(xué)張新慧開發(fā)完成。通過研制了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的 SOC 單相智能電表，遵循國網(wǎng)公司電能表、集中器、服務(wù)器、客戶端體系架構(gòu)，設(shè)計(jì)了以 SOC 芯片 HT5017 為核心的電能表，以STM32F103C8T6 芯片為核心的集中采集器，構(gòu)建了以機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)的服務(wù)器，開發(fā)了基于 Android 平臺(tái)的客戶應(yīng)用程序，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸、客戶遠(yuǎn)程查看等功能。

01

引 言

近年來，我國現(xiàn)代化程度不斷深入，我國電網(wǎng)的智能化程度也不斷增加，而智能電表作為智能電網(wǎng)最為重要的一環(huán)在電網(wǎng)中扮演著重要的角色。智能電表作為智能電網(wǎng)的終端設(shè)備，相比于傳統(tǒng)的電表，智能電表可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表、故障診斷、參數(shù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能，可以大大節(jié)省人力物力，并且效率更高，對(duì)于提升電網(wǎng)的運(yùn)行效率降低運(yùn)行成本具有重要的意義。智能電表作為一種新型的智能家居設(shè)備，可以通過網(wǎng)絡(luò)與用戶進(jìn)行連接，用戶可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到本戶的用電情況、故障信息等。可以推薦用戶智能供電方案，對(duì)于引導(dǎo)用戶合理用電、購買電量具有重要的意義。同時(shí)可以設(shè)定分時(shí)計(jì)費(fèi)方案，對(duì)于引導(dǎo)用戶錯(cuò)峰用電，促進(jìn)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)國內(nèi)外研究狀況和對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表系統(tǒng)的分析與研究，本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是構(gòu)建一套基于物聯(lián)網(wǎng)智能電表監(jiān)控系統(tǒng)，主要分為三個(gè)層次：電能表、智能電表集中器、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。電能表采用控制與采集芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)電能參數(shù)的采集、上傳、終端顯示、故障報(bào)警、自動(dòng)斷電等功能。智能電表集中器采用嵌入式控制器，能夠和多個(gè)電能表進(jìn)行通信，讀取多個(gè)終端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打包上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制命令的下傳。基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)搭建智能電表系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，能夠?qū)崿F(xiàn)電能參數(shù)的顯示、電表狀態(tài)和故障的顯示等。

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

基于物聯(lián)網(wǎng)的單相智能電表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從電能表、智能電表集中器和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)三個(gè)部分開展設(shè)計(jì)。運(yùn)用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及嵌入式控制技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要完成以下幾個(gè)方面的工作：

1）設(shè)計(jì)電能參數(shù)計(jì)量模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電能參數(shù)的測(cè)量；

2）通過互感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流參數(shù)的采樣；

3）通過合適的低功耗控制芯片構(gòu)建電能表，并且搭配合適的 LCD 顯示模塊、故障報(bào)警模塊、緊急斷電模塊、通信模塊等實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送；

4）設(shè)計(jì)嵌入式處理器控制電路構(gòu)建智能電表集中器，實(shí)現(xiàn)對(duì)下級(jí)電表終端的數(shù)據(jù)通信并將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)；

5）通過物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能電表集中器與云平臺(tái)的連接，實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)；

6）設(shè)計(jì)智能電表終端和集中器的軟件，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、分段計(jì)費(fèi)、盜電監(jiān)測(cè)等功能；7）設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的手機(jī)端界面，開發(fā)智能電表顯示終端，實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的顯示和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

02

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用高性能的電能計(jì)量SOC 芯片構(gòu)建終端的監(jiān)測(cè)中心?？梢詫?shí)現(xiàn)控制和監(jiān)測(cè)功能，有效降低成本。通過高性能的嵌入式處理器芯片構(gòu)建智能電表集中采集器，該集中器采集多個(gè)智能電表終端的數(shù)據(jù)而后將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)?；谠O(shè)計(jì)要求和成本要求，本次設(shè)計(jì)選取專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)服務(wù)器功能用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并且搭建了智能電表手機(jī) APP 實(shí)現(xiàn)電表的監(jiān)控。大大降低了開發(fā)成本縮短了開發(fā)周期。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 整體結(jié)構(gòu)框圖本次設(shè)計(jì)方案采用了典型的物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)，感知層包括智能電表集中器和多個(gè)智能電表實(shí)現(xiàn)電能參數(shù)的檢測(cè)和控制。終端還集成 LCD 顯示模塊，故障報(bào)警模塊和鍵盤輸入模塊等。智能電表集中器主要由嵌入式處理器芯片和外圍電路組成，集中器可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)電表的數(shù)據(jù)采集與打包并且將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)層為廣域網(wǎng)，智能電表集中器將打包的數(shù)據(jù)上傳至路由器供物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行采集。

基于互聯(lián)網(wǎng)的單相智能電表系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)整體分為智能電表、集中采集器、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)三大部分。圖3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖智能電表計(jì)量安裝于用戶現(xiàn)場(chǎng)，由 SOC 計(jì)量芯片系統(tǒng)構(gòu)成。終端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的采集，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，故障時(shí)自動(dòng)上報(bào)故障信息，接受云平臺(tái)下傳的控制命令，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過通信模塊上傳至智能電表集中采集器進(jìn)行打包。

• 智能電表集中采集器由高性能的嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)成，可以讀取下級(jí)電表的電能參數(shù)，并且可以根據(jù)機(jī)智云平臺(tái)的軟件協(xié)議將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包而后將數(shù)據(jù)通過通信模塊上傳至云平臺(tái)。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，下傳遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的控制命令等。
• 云平臺(tái)可以提供免費(fèi)的設(shè)備接入服務(wù)，可以自動(dòng)匹配處理器上傳的數(shù)據(jù)流并且可以設(shè)置顯示控件進(jìn)行顯示。同時(shí)還可以下傳控制命令。通過云平臺(tái)可以節(jié)約開發(fā)成本并且可以縮短開發(fā)時(shí)間。

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端基于云平臺(tái)的存儲(chǔ)功能并且自行搭建人機(jī)界面，用戶和供電公司可以通過手機(jī) APP 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

03

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能電表系統(tǒng)的整體硬件電路設(shè)計(jì)方案如圖4所示，主要分為智能電表監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)和智能電表集中采集器硬件設(shè)計(jì)。智能電表監(jiān)測(cè)終端核心為 HT5017 芯片，還包括外圍電路等。智能電表集中器主要包括 STM32 芯片及其硬件電路。圖4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖3.1 電能表硬件設(shè)計(jì)電能表主要包括電能表的控制核心、芯片外圍電路、采樣電路、通信電路、顯示電路、輸入電路等。實(shí)現(xiàn)電能參數(shù)的采集、傳輸、預(yù)處理、終端顯示等功能。1） 芯片選擇通過對(duì)市場(chǎng)上常用的智能電表測(cè)控芯片選擇，本設(shè)計(jì)選定 HT5017 芯片作為本次設(shè)計(jì)的電能表的控制核心。其具有芯片高度集成，抗干擾能力大大增強(qiáng)，溫度、濕度等對(duì)其干擾影響小、可靠性高、性能良好。該芯片的引腳配置和實(shí)物圖如圖5所示。圖5 HT5017 芯片引腳定義圖和實(shí)物圖2）最小系統(tǒng)HT5017 芯片的最小系統(tǒng)電路如圖6 所示。主要包括復(fù)位電路、下載電路、外部晶振電路。通過這些外圍電路可以使芯片正常工作。由于芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了兩個(gè)大小為 24pF 的電容，因此在設(shè)計(jì)時(shí)不需要再連接電容，如果外接電容的話，可能會(huì)影響芯片的 EMC 性能。圖6 HT5017 芯片最小系統(tǒng)電路3）電源模塊電能表的電源電路如圖7 所示，總體上電路通過變壓器取電，在變壓器二次側(cè)通過LM7805、DC-DC 和 AMS1117 芯片以及外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的供電。電路供電系統(tǒng)包含 5V、12V 以及 3.3V 供電。可以給單片機(jī)以及采集模塊、執(zhí)行模塊和報(bào)警模塊等供電。同時(shí)通過多個(gè)電容實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電路的濾波。圖7 電能表的電源電路4）采樣電路*電壓采樣電路電壓采樣電路選擇電阻分壓電路，通過采用多個(gè)電阻進(jìn)行分壓的方式，提高了電路降壓性能，使電壓轉(zhuǎn)換成一定比例的弱電壓，滿足了計(jì)量芯片的輸入電壓要求，并有成本低的優(yōu)點(diǎn)，又具備抗電磁干擾等條件。電壓分壓采樣電路如圖8所示。圖8 電壓分壓采樣電路*電流采樣電路電流采樣電路采用了電流互感器接入式，通過電流互感器進(jìn)行降低電流，電流互感器可以將一次測(cè)的電流進(jìn)行降低，從二次側(cè)輸出，可以保證電能表的安全，電流分壓采樣電路如圖9所示。圖9 電流分壓采樣電路5）液晶顯示電路從本智能電表的性能要求出發(fā)，并結(jié)合成本考慮，本設(shè)計(jì)選擇了字段型液晶顯示。由于芯片 HT5017 內(nèi)部集成了 LCD 驅(qū)動(dòng)電路，所以液晶顯示的電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。LCD 顯示電路如圖10所示。LCD 的段位引腳直接連接到主控芯片 HT5017 的段位引腳上就可以了。圖10 LCD 顯示電路 6）通信模塊電能表通信模塊選取 AS32-TTL-1W 模塊，這是一款 433MHZ 具有高穩(wěn)定性的工業(yè)級(jí)無線傳輸模塊。電路接口圖和實(shí)物圖如11所示。圖 11 無線模塊實(shí)物圖與電路圖7）報(bào)警單元電能表的防竊電報(bào)警電路如圖 12所示，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者用戶缺電時(shí)單片機(jī)端口輸出高電壓使得三極管 Q1 閉合從而蜂鳴器鳴響實(shí)現(xiàn)報(bào)警。防竊電報(bào)警模塊電路圖如13所示。圖12 蜂鳴器報(bào)警電路圖13 防竊電報(bào)警電路8）自動(dòng)斷電模塊系統(tǒng)選用動(dòng)斷型繼電器 SRD-12VDC-SL-C，該繼電器驅(qū)動(dòng)電壓為 12V。圖14為繼電器開關(guān)控制電路的原理圖。圖14 繼電器驅(qū)動(dòng)電路9）鍵盤模塊裝置設(shè)計(jì)按鍵電路，使用戶能很方便的對(duì)電能表進(jìn)行操控，可以對(duì)電能表進(jìn)行切換顯示內(nèi)容的操作。設(shè)計(jì)獨(dú)立按鍵電路如圖15所示。圖15 按鍵電路

3.2集中采集器的硬件設(shè)計(jì)1）控制芯片

集中采集器選用STM32F103C8T6 作為控制核心。該芯片引腳數(shù)量較少，成本低且能夠滿足本次設(shè)計(jì)的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)智能電表的電能參數(shù)讀取、處理和上傳。如圖 16為芯片的引腳定義和實(shí)物圖。圖16 芯片引腳定義圖和實(shí)物圖

2）最小系統(tǒng)電路

集中采集器主控芯片采用 STM32F103C8T6 芯片，系統(tǒng)電路圖如圖17所示。最小系統(tǒng)電路主要包括芯片的外部晶振電路、復(fù)位電路、下載電路和電源電路等。該最小系統(tǒng)電路可以滿足芯片的正常工作需求且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠。 圖17STM32F103C8T6 芯片系統(tǒng)電路

3）電源模塊

集中采集器模塊的供電需求主要是嵌入式處理器電路和通信電路。采用LM1117 三端芯片實(shí)現(xiàn)+3.3V 電壓的輸出供給芯片。同時(shí)通過MIC29302 芯片實(shí)現(xiàn)+3.9V 電壓的輸出供給通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。電路圖如18所示。

圖18電源電路

4）通信電路

采用EC20R2.1模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，設(shè)計(jì)了基于MIC29302 芯片為核心的穩(wěn)壓電路，輸出 3.9V 電壓為 EC20 模塊供電。此外集中采集器預(yù)留了 AS32-TTL-1W 無線串口模塊實(shí)現(xiàn)與電能表的數(shù)據(jù)通信。電路圖如19所示。 圖194G 模塊和 AS32 無線模塊接口圖

04

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要完成電能表、集中采集器的軟件設(shè)計(jì)，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的構(gòu)建以及 Android 應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。4.1 電能表程序設(shè)計(jì)

通過電能表、集中采集器的軟件設(shè)計(jì)采用 C 語言的方式進(jìn)行編程和調(diào)試，編譯軟件使用的是 Keil。主要內(nèi)容包括電能表主程序、RTC 時(shí)鐘、計(jì)量單元、存儲(chǔ)單元、無線通信的軟件設(shè)計(jì)，集中采集器的主程序、數(shù)據(jù)接收以及數(shù)據(jù)發(fā)送的軟件設(shè)計(jì)。

1）電表主程序

電能表的主程序流程如圖20所示，主程序的主要任務(wù)就是完成對(duì)模塊單元的初始化設(shè)置以及協(xié)調(diào)各模塊單元有序運(yùn)行。 圖20 主程序流程圖

在系統(tǒng)接入電源以后，首先就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。設(shè)置外部晶振為系統(tǒng)主時(shí)鐘，完成 I/O 口功能設(shè)置，包括 USART 串口、ADC 串口功能的設(shè)置，完成電能參數(shù)寄存器的初始化操作。系統(tǒng)從時(shí)鐘電路得到時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)而處理器將會(huì)對(duì)采集來的電壓、電流信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。有功功率通過電壓、電流相乘經(jīng)過低通濾波器得到，無功功率先將電壓移相 90o，通過移相后電壓、電流相乘經(jīng)過低通濾波器得到，將得到的電能參數(shù)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存至電能寄存器中，最后通過無線通信模塊發(fā)送至集中采集器。

2）RTC 時(shí)鐘子程序設(shè)計(jì)

從 RTC 模塊讀取 TPS 輸出的溫度值，為了保證芯片在運(yùn)行的過程中能夠根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行穩(wěn)定補(bǔ)償，需要減小 TPS溫度數(shù)值的跳動(dòng)，具體補(bǔ)償代碼如下。

Void RTC_compensate_initial(void){ uint8_t i; uint32_t ichecksum; //TPS config------------------------------- HT_TBS->TBSCON=0x0301; //Chop 都打開 8 次平均輸出 osr=64 HT_TBS->TBSIE=0x00; HT_TBS->TBSPRD=0x00;// //1s 打開 8 次 //RTC configure------------------------------------ HT_RTC->RTCIE=0x00; HT_RTC->RTCCON=0x00; HT_RTC->RTCCON|=0x06; //高頻補(bǔ)償 128Hz 之后輸出 1H HT_RTC->DFIH=((uint32_t)0>>16); HT_RTC->DFIL=(0); /*****讀取 Info 保存的 RTC 參數(shù)，并計(jì)算校驗(yàn)和，檢查校驗(yàn)和是否正確********/ /*****如果校驗(yàn)和正確，加載 Info 參數(shù)到 RTC 相應(yīng) registers，否則寫入默認(rèn)值參數(shù)********/}

RTC 時(shí)鐘校正的流程圖如圖 21所示。 圖21 RTC 時(shí)鐘校正流程圖3）計(jì)量模塊子程序設(shè)計(jì)

電能計(jì)量模塊主要功能就是將采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。首先智能電表先進(jìn)行計(jì)量參數(shù)初始化。電能采樣數(shù)據(jù)每 0.5ms 刷新一次，在刷新的同時(shí)會(huì)設(shè)置一個(gè)標(biāo)志信號(hào)，主程序接收到刷新信號(hào)后會(huì)執(zhí)行電能計(jì)算，采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字量數(shù)據(jù)，然后在芯片的 EMU 模塊中進(jìn)行電能計(jì)算，主要進(jìn)行有功功率、無功功率、頻率等參數(shù)的計(jì)算。計(jì)算完成后將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在相應(yīng)的 flash 寄存器，通過系統(tǒng)程序可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出、調(diào)用。電能計(jì)量的程序圖如圖22所示。 圖22計(jì)量模塊程序流程圖

4）通信子程序

電能表的信息交互是通過通信功能來完成的，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送功能都是由USART 串口實(shí)現(xiàn)的。MCU 對(duì)電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，主要采集電流、電壓、有功功率等參數(shù)。數(shù)據(jù)幀通過串口接收中斷來獲取。接收后，對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行檢查，數(shù)據(jù)是否完整，地址是否吻合。最后，發(fā)送電能數(shù)據(jù)包。程序流程如圖23所示。圖23串口發(fā)送程序流程圖5）遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)模塊程序設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)的控制流程如圖24所示，電能表接收物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)發(fā)送的購電戶號(hào)、購電量告警電量等參數(shù)后，設(shè)置購電控制投入。計(jì)算剩余電量并判斷剩余購電量是否小于或等于告警電量。如果是，電能表發(fā)送警告信息，并切換控制狀態(tài)為非保電狀態(tài)。若判斷剩余購電量大于告警電量，進(jìn)入保電狀態(tài)。圖24遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)的控制流程圖

2）甲烷氣體傳感器電路甲烷、一氧化碳等有毒氣體檢測(cè)電路是整個(gè)系統(tǒng)電路的核心組成部分之一，核心部件 MQ-5 有毒氣體傳感器，具有靈敏度高、壽命長、穩(wěn)定性好、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，所以常用于家庭、工廠和公共場(chǎng)所的氣體安全檢測(cè)。而且 MQ-5 不僅能檢測(cè)甲烷，還能檢測(cè)氫氣、苯、天然氣等氣體的探測(cè)。所以相對(duì)準(zhǔn)確地說，MQ-5 是個(gè)多種氣體檢測(cè)傳感器。4.2 集中采集器的程序設(shè)計(jì)

集中采集器需要接收多個(gè)電能表的計(jì)量數(shù)據(jù)信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，最后通過4G 模塊傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)中。系統(tǒng)主要由主程序、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)發(fā)送物聯(lián)網(wǎng)程序組成。

1）系統(tǒng)主程序

集中采集器主程序需要完成電能表數(shù)據(jù)的召測(cè)采集與數(shù)據(jù)的發(fā)送任務(wù)。具體流程如圖25所示。采集器接通電源后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，主要完成USART 串口以及時(shí)鐘的初始化。然后，無線采集模塊、4G 通訊進(jìn)行初始化設(shè)置，并對(duì)所連接電能表發(fā)送召測(cè)數(shù)據(jù)命令，如有異常，則記錄異常信息。最后，接收電能表發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，處理、打包數(shù)據(jù)并通過 4G 模塊上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)中。 圖25主程序流程圖

2）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集子程序的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集主要通過定時(shí)器中斷觸發(fā)串口命令發(fā)送，進(jìn)而完成電能表數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。具體流程如圖26所示，完成定時(shí)器、串口初始化設(shè)置。圖26數(shù)據(jù)采集流程圖

然后，集中采集器向電能表發(fā)送數(shù)據(jù)召測(cè)命令，電能表發(fā)送計(jì)量數(shù)據(jù)。進(jìn)而，將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)。部分程序如下：

unsigned int CRC16 (unsigned char * puchMsg, unsigned int usDataLen) /* The function returns the CRC as a unsigned short type */{ unsigned char uchCRCHi = 0xFF ; unsigned char uchCRCLo = 0xFF ; unsigned uIndex ; while (usDataLen--) { uIndex = uchCRCLo ^ *puchMsg++ ; uchCRCLo = uchCRCHi ^ auchCRCHi[uIndex] ; uchCRCHi = auchCRCLo[uIndex] ; } return (uchCRCHi << 8 | uchCRCLo) ;}

數(shù)據(jù)校驗(yàn)有誤，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。3）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送子程序的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送子程序主要完成數(shù)據(jù)打包處理，網(wǎng)絡(luò)連接以及數(shù)據(jù)的上傳等任務(wù)。具體流程如圖27所示。圖274G 模塊數(shù)據(jù)上傳流程圖

首先，系統(tǒng)初始化串口引腳，完成 4G 模塊自檢以及設(shè)置 4G模塊工作模式，部分代碼如下：

void EC20_Init(void){ Uart2_SendStr("AT+QGPS=1\r\n"); Clear_Buffer()； Uart2_SendStr("AT+CPIN?\r\n"); delay_ms(500); strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"+CPIN: READY"); while(strx==NULL) { Clear_Buffer(); Uart2_SendStr("AT+CPIN?\r\n"); delay_ms(500); strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"+CPIN: READY"); } Clear_Buffer(); Uart2_SendStr("AT+CSQ\r\n"); Clear_Buffer(); Uart2_SendStr("AT+CGREG?\r\n"); strx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"+CGREG: 0,1"); extstrx=strstr((const char*)AtRxBuffer,(const char*)"+CGREG: 0,5");}

然后，連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，將遠(yuǎn)程召測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，完成發(fā)送，數(shù)據(jù)采用Json 格式，如下所示：

{ “data”: { “id”:”Volage”, “datapoints”: { “at”:”2019-12-22T2212”, “Volage”:”220.5” } }}

4.3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)作為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)。機(jī)智云平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)流程如圖28所示。 圖28機(jī)智云平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)流程圖機(jī)智云平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)主要包括：創(chuàng)建賬號(hào)、創(chuàng)建智能電表設(shè)備、創(chuàng)建數(shù)據(jù)流并完成應(yīng)用程序接口參數(shù)配置。首先創(chuàng)建賬戶，登錄開發(fā)者界面，創(chuàng)建一個(gè)智慧電能管理系統(tǒng)的產(chǎn)品平臺(tái)，選擇 WI-FI 或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，選用 SOC 方案，云平臺(tái)會(huì)為所創(chuàng)建的產(chǎn)品自動(dòng)分配產(chǎn)品標(biāo)識(shí)碼與產(chǎn)品密鑰等信息，具體如圖29所示。圖29產(chǎn)品信息示意圖

進(jìn)而，需要向所創(chuàng)建的產(chǎn)品下面添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)分為顯示名稱、標(biāo)識(shí)名等，且具有只讀、可寫、故障、報(bào)警以及數(shù)值、枚舉、布爾值等屬性，根據(jù)用戶的需要靈活設(shè)置。根據(jù)本系統(tǒng)需要，設(shè)置電壓、電流、功率以及電能等數(shù)據(jù)點(diǎn)，并分別設(shè)置其屬性，具體信息如圖30所示。圖30數(shù)據(jù)點(diǎn)添加及修改示意圖

最后，利用機(jī)智云提供的應(yīng)用接口，對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用程序進(jìn)行配置，用戶端采用 Android 平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，機(jī)智云平臺(tái)將自動(dòng)分配 APPID、APPSecret 等參數(shù)，具體設(shè)置界面如圖31所示。圖31APP 配置界面信息

4.4 Android 客戶端的軟件設(shè)計(jì)

用戶應(yīng)用程序基于Android 平臺(tái)，采用Java 語言進(jìn)行開發(fā)。本系統(tǒng)開發(fā)選用 Eclipse 開發(fā)環(huán)境完成 Android 軟件開發(fā)設(shè)計(jì)。

用戶應(yīng)用程序主要包括用戶登錄、網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)讀取以及用戶界面等，具體程序框架如圖32所示。用戶登錄主要實(shí)現(xiàn)不同客戶的登錄功能，電網(wǎng)公司為客戶分配了用戶電表戶號(hào)，通過登錄戶號(hào)，進(jìn)入客戶專屬的電能管理應(yīng)用系統(tǒng)。 圖32用戶應(yīng)用程序框架結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)部分采用 Socket 編程方式，引用 java.net.Socket 包，創(chuàng)建一個(gè) Socket 對(duì)象，連接到機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。具體代碼如下：

mSocket = new Socket(ip,port);OutputStream outputStream = mSocket.getOutputStream();in = mSocket.getInputStream();showInfo("連接成功!");

數(shù)據(jù)傳輸采用 Http 協(xié)議，應(yīng)用 Get 命令讀取機(jī)智云平臺(tái)中的數(shù)據(jù)，例如獲取實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)指令為：

GET http:// www.gizwits.com/devices/datapoints?datastream_id=Volageapi-key: bmj14LsfVIU4jViOzyZRKxHost: api.gizwits.com

機(jī)智云平臺(tái)返回 json 格式的數(shù)據(jù)，需要將 json 格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 java 面向?qū)ο蟮膶?shí)體類，并應(yīng)用 Google 提供的 google.gson.Gson 包進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析，部分解析代碼如下：

public class JsonRootBean{ private int errno; private Data data; private String error; public void setErrno(int errno) { this.errno = errno; } public int getErrno() { return errno; } public void setData(Data data) { this.data = data; } public Data getData() { return data; } public void setError(String error) { this.error = error; } public String getError() { return error; }}

以用戶登錄界面為例進(jìn)行用戶界面的設(shè)計(jì)，首先創(chuàng)建一個(gè)用戶登錄的活動(dòng)界面，在界面中插入圖片、文本、按鍵等控件，并設(shè)置其屬性。設(shè)計(jì)完成的用戶登錄界面如圖33所示，界面包括應(yīng)用程序Logo、用戶號(hào)輸入文本框以及登錄按鈕。

05

系統(tǒng)調(diào)試

5.1 試驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)之前對(duì)硬件電路圖的設(shè)計(jì)，采用 Altium Designer 軟件對(duì)智能電表和集中采集器的硬件 PCB 進(jìn)行了設(shè)計(jì)制作。并根據(jù)設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行測(cè)試。主要進(jìn)行準(zhǔn)確度和功耗的驗(yàn)證。為了進(jìn)行該驗(yàn)證搭建了電能表測(cè)試平臺(tái)。

5.2 通信驗(yàn)證

本次智能電表系統(tǒng)的通信模塊主要包括集中采集器與電能表的無線通信模塊驗(yàn)證和集中采集器與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的通信驗(yàn)證。為了更加直觀的了解計(jì)量終端的通信命令，本次使用串口調(diào)試助手對(duì)電能表進(jìn)行了通信驗(yàn)證，串口調(diào)試助手與電能表成功通信的示意圖如35所示。圖35 電能表串口調(diào)試示意圖

下面進(jìn)行集中采集器與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的通信調(diào)試，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的配置圖如36所示。通過機(jī)智云平臺(tái)的計(jì)入步驟進(jìn)行配置，可以看到本設(shè)備的接入信息等。成功連接后可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程存儲(chǔ)。圖36 機(jī)智云平臺(tái)連接示意圖

之后通過自行搭建的智能電表監(jiān)控手機(jī) APP 對(duì)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并在人機(jī)界面進(jìn)行了顯示。如圖38為智能手機(jī)對(duì)電能參數(shù)的顯示示意圖，可以看到電能參數(shù)可以正常顯示在 APP 上方便用戶和供電公司進(jìn)行讀取。圖37手機(jī) APP 顯示示意圖

此外，系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示，方便供電公司和用戶對(duì)自己的歷史用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析來判定系統(tǒng)是否正常并且可以指導(dǎo)用戶合理用電。歷史數(shù)據(jù)顯示界面如圖38所示。 電能表同時(shí)還可以通過 LCD 模塊實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的顯示，方便現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行調(diào)試與檢測(cè)。LCD 模塊顯示電能參數(shù)如圖39所示。

圖39 電能表 LCD 顯示示意圖

06

總 結(jié)

為了進(jìn)一步滿足智能電表領(lǐng)域的要求，本研究設(shè)計(jì)了這套基于物聯(lián)網(wǎng)的單相智能電表裝置。整套系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

1）遵循國網(wǎng)公司“電能表、集中器、服務(wù)器、客戶端”體系架構(gòu)，借助于物聯(lián)網(wǎng)，完成了單相智能電表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、成本較低。

2）基于 HT5017 的 SOC 芯片完成了電能表的設(shè)計(jì)，既能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸以及顯示等功能，也能實(shí)現(xiàn)電能采集功能，較傳統(tǒng)“控制芯片+計(jì)量芯片”的架構(gòu)更為簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性更高。

3）基于 STM32F103 嵌入式處理芯片構(gòu)建了集中采集器，實(shí)現(xiàn)對(duì)下級(jí)電能參數(shù)的打包并將打包后的數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，“雙無線傳輸”的方式，使系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝方便快捷，成本降低。

4）通過免費(fèi)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)機(jī)智云實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，大大降低了系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本，并且設(shè)計(jì)了手機(jī) APP 實(shí)現(xiàn)電能參數(shù)的監(jiān)控，人機(jī)交互更加方便。在實(shí)驗(yàn)室完成了系統(tǒng)樣機(jī)的調(diào)試與驗(yàn)證。結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠、測(cè)量精確度高，滿足多功能電表的監(jiān)測(cè)需求。