利用GPRS實(shí)現(xiàn)對(duì)高校各實(shí)驗(yàn)室電量的監(jiān)測(cè)

田 穎，武 一

（河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401）

利用GPRS實(shí)現(xiàn)對(duì)高校各實(shí)驗(yàn)室電量的監(jiān)測(cè)

田 穎，武 一

（河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401）

供電系統(tǒng)發(fā)展的新方向是以信息化、互動(dòng)化為特征。通過(guò)對(duì)各區(qū)域用電情況的分析，供電系統(tǒng)可進(jìn)行自動(dòng)、合理的供電，從而達(dá)到節(jié)約資源的目的?；谔岣呦到y(tǒng)運(yùn)行效率和電能利用率，降低人工成本的目的，本文針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室搭建了一個(gè)電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以GPRS為核心通信方式。通過(guò)組合數(shù)字式戶用電表、Open1081、sim900a模塊以及云服務(wù)來(lái)完成，其不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高校各實(shí)驗(yàn)室的電量，而且還可以實(shí)現(xiàn)用電管理功能。

電量監(jiān)測(cè)；GPRS；云服務(wù)；MySQL；用電管理

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的長(zhǎng)足發(fā)展，人類的生產(chǎn)和生活中出現(xiàn)了很多依靠電力驅(qū)動(dòng)的電器、設(shè)備，如何高效合理利用電能也隨之變得越來(lái)越重要[1]。未來(lái)的供電系統(tǒng)可通過(guò)有效調(diào)配電能在實(shí)現(xiàn)合理用電的基礎(chǔ)上為廣大電力用戶提供優(yōu)質(zhì)供電服務(wù)、增值服務(wù)[2]，電量監(jiān)測(cè)技術(shù)是系統(tǒng)配電網(wǎng)側(cè)的關(guān)鍵技術(shù)[3-6]。高校實(shí)驗(yàn)室不僅用電量可觀，而且分散分布，建立一套應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)室并具有用電管理功能的電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是較好的選擇，有利于提高運(yùn)行效率、能源利用率和可靠性[7-8]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中，電能采集終端是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)[9]，其是在目前普遍使用的數(shù)字式電能計(jì)量表的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加GPRS通信模塊和繼電器模塊使其具有通信和開(kāi)關(guān)功能；數(shù)據(jù)收集平臺(tái)搭建在云服務(wù)器端[10]，其上運(yùn)行著服務(wù)器應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，服務(wù)器應(yīng)用程序主要完成電量數(shù)據(jù)的接收、計(jì)算和存儲(chǔ)功能[11]；用電管理功能包括停電管理和電費(fèi)充值。系統(tǒng)秉承無(wú)線抄表系統(tǒng)在系統(tǒng)安裝方面方便、快捷的優(yōu)勢(shì)[12-13]，不受距離的限制[14]。

2 電量數(shù)據(jù)的獲取和發(fā)送

2.1 方案的設(shè)計(jì)思想及框圖

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，如圖2所示。電能采集終端是客戶端，由戶用數(shù)字式電能計(jì)量表、通信部分和開(kāi)關(guān)部分組成。戶用數(shù)字式電能表?yè)碛须娔軠y(cè)量的基本功能，此外還有用戶端控制、多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信等智能化功能[15-16]。開(kāi)關(guān)部分接收服務(wù)器的供斷電指令來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 獲取和發(fā)送電量數(shù)據(jù)的總體方案

2.2 實(shí)現(xiàn)原理

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

電能采集終端在硬件上由 Open1081（由Core1081和其引出的外設(shè)組成 ）、sim900a、繼電器和戶用數(shù)字式電能計(jì)量表組成，其中，Open1081是控制器。在硬件連接上，戶用數(shù)字式電能計(jì)量表使用uart1；sim900a使用uatr4；繼電器的被控制端先于電能計(jì)量表接入220 V交流電，控制端接Open1081提供的3.3 V直流電，信號(hào)線接Open1081的gpio引腳。

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

從0X0800C000起存放GPRS發(fā)送電量數(shù)據(jù)的程序，程序流程如圖3所示，主要包括硬件設(shè)備的初始化、獲取電量數(shù)據(jù)、通過(guò)GPRS發(fā)送電量數(shù)據(jù)以及接收供斷電指令。

1）硬件初始化

初始化sim900a需使用AT指令，包括 AT+ CIPCLOSE=1（關(guān)閉TCP連接）、AT+CIPSHUT（關(guān)閉移動(dòng)場(chǎng)景）、AT+CIPMUX=0（設(shè)置單路IP連接模式）、AT+CIPQRCLOSE=1（開(kāi)啟加速遠(yuǎn)端斷開(kāi)連接）、AT+CIPMODE=0（選擇TCP/IP的應(yīng)用模式，設(shè)置為非透明傳輸模式）。

2）獲取電量數(shù)據(jù)

圖3 電能采集終端程序流程

控制器Core1081獲得uar1接收的數(shù)字式電能表的數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)主要使用stm32f2xx_usart.c庫(kù)。首先，新建uart1.c文件，主要包括串口初始化函數(shù)、判斷串口接收狀態(tài)函數(shù)、寫(xiě)串口函數(shù)、讀串口函數(shù)、中斷處理函數(shù)。其次，新建getdata.c文件，依據(jù)電能采集終端的通信規(guī)則編寫(xiě)通信層程序讀取其電量數(shù)據(jù)，包括發(fā)送指令的send_command函數(shù)和獲得數(shù)據(jù)的get_data函數(shù)。

3）發(fā)送電量數(shù)據(jù)

發(fā)送的數(shù)據(jù)有兩項(xiàng)：電能采集終端的編號(hào)、電量值。

①建立GPRS連接。函數(shù)為gprs_connect（），通過(guò)“AT+CIPSTART”指令使sim900a開(kāi)啟GPRS網(wǎng)絡(luò)功能，并通過(guò)IP和端口號(hào)嘗試連接目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器應(yīng)用程序Server。

②存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并發(fā)送

發(fā)送：通過(guò)gprs_send（senddata）函數(shù)向串口uart4寫(xiě)入指令“AT+CIPSEND”使sim900a進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，之后向串口寫(xiě)入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，最大可以一次發(fā)送1 352字節(jié)，數(shù)據(jù)輸入完后，按照sim900a的通信規(guī)則，輸入十六進(jìn)制的1 A，啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程。

③發(fā)送間隔：函數(shù) msleep（）和 sleep（）用于延遲，程序每隔30秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)收集平臺(tái)

3.1 平臺(tái)架構(gòu)

平臺(tái)采用IaaS型服務(wù)模式，在運(yùn)營(yíng)商提供的以Linux為操作系統(tǒng)的云服務(wù)器上搭建，其IP地址為138.128.194.130。在該服務(wù)器上運(yùn)行著服務(wù)器應(yīng)用程序Server和Apache以及MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。Server端口號(hào)為10222，Apache的端口號(hào)為80，MySQL的端口號(hào)為3306。Server、Apache中的 PHP文件在Linux中的部署為：Server文件路徑為root；PHP文件路徑為/user/local/apache2/htdocs/admin，包括 link.php、img、index.html、list.php。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

建立數(shù)據(jù)庫(kù)”Laboratory”并在其中創(chuàng)建數(shù)據(jù)表“ElecLab”，表中數(shù)據(jù)項(xiàng)如表1所示。

表1 “ElecLab”中的各數(shù)據(jù)項(xiàng)

Elec是電能采集終端發(fā)送的電量值，一個(gè)時(shí)間累計(jì)量。Elec_mon是Elec與Elec_old的差值。MElec和OMElec的差值是兩次傳送數(shù)據(jù)間實(shí)驗(yàn)室消耗的電費(fèi)。此外，在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)標(biāo)志數(shù)據(jù)項(xiàng)switch_flag用于實(shí)現(xiàn)用電管理功能。

3.3 服務(wù)器應(yīng)用程序

3.3.1 功能劃分

Server用于實(shí)現(xiàn)和多個(gè)電能采集終端的雙向通信、處理電量數(shù)據(jù)以及更新數(shù)據(jù)庫(kù)；Apache用于響應(yīng)管理人員查詢數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，它會(huì)將數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁(yè)中以表格的形式呈現(xiàn)出來(lái)。如此設(shè)計(jì)的目的是為了實(shí)現(xiàn)功能分離，減少耦合性。

3.3.2 設(shè)計(jì)思想和軟件實(shí)現(xiàn)

1）和多個(gè)電能采集終端的雙向通信

圖4 Server核心功能流程圖

該部分運(yùn)用Unix下C語(yǔ)言編程，程序流程如圖4所示。首先運(yùn)用守護(hù)進(jìn)程技術(shù)使Server后臺(tái)運(yùn)行，然后運(yùn)用socket通信技術(shù)使Server進(jìn)入偵聽(tīng)模式。在子線程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的同時(shí)，主線程將回到accept去處理下一個(gè)終端的請(qǐng)求，并開(kāi)辟新的子線程來(lái)處理下一個(gè)終端的電量數(shù)據(jù)。最終，主線程下會(huì)有多個(gè)子線程service_thread并行運(yùn)行。

2）處理電能采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)以及更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)

使用Unix下C語(yǔ)言、結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言SQL和MySQL庫(kù)函數(shù)來(lái)完成，程序流程如圖5所示。在子線程service_thread中調(diào)用updatedatabase函數(shù)進(jìn)行計(jì)算并使用update語(yǔ)句更新數(shù)據(jù)庫(kù)。Elec_old更新為Elec值和OMElec清0是月末由管理人員人工操作數(shù)據(jù)庫(kù)完成。

圖5 處理和更新數(shù)據(jù)的程序結(jié)構(gòu)

3）響應(yīng)管理人員的請(qǐng)求

利用XAMPP軟件包建立PHP+Apache+MySQL開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)編寫(xiě)、調(diào)試PHP文件。

①編寫(xiě)link.php文件用于連接數(shù)據(jù)庫(kù)，主要語(yǔ)句為：

②編寫(xiě)index.html文件作為數(shù)據(jù)查詢登錄界面。

③ 編寫(xiě)list.php文件用于調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)。首先是判斷用戶名和密碼，然后調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)并在網(wǎng)頁(yè)中顯示，運(yùn)用PHP的echo語(yǔ)句。

4 用電管理

4.1 停電管理

在電能采集終端中使用繼電器作為開(kāi)關(guān)。停電管理即Server遠(yuǎn)程自動(dòng)向電能采集終端發(fā)指令控制繼電器開(kāi)關(guān)電。

4.1.1 硬件設(shè)計(jì)

選用JQC-3F（T73）電磁型繼電器，工作電壓為3 V。繼電器的被控制端先于電表接入220 V交流電，控制端接Open1081提供的3.3 V直流電。

4.1.2 軟件實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器應(yīng)用程序 Server利用TCP/IP型 socket通信。為了不影響 Server接收和處理電量數(shù)據(jù)，Server將運(yùn)用多線程技術(shù)另外開(kāi)辟子線程來(lái)完成此功能。

1）數(shù)據(jù)庫(kù)中新建數(shù)據(jù)項(xiàng)switch_flag用以標(biāo)明終端的開(kāi)關(guān)電狀態(tài)，供電為1，斷電為0。

2）子線程不斷輪詢數(shù)據(jù)庫(kù)并分析Expenses值來(lái)篩選數(shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程如圖6所示。

①斷電查詢條件為：select*from ElecQuantity where Expenses＜=0 and switch_flag=1

②供電查詢條件為：select*from ElecQuantity where Expenses＞0 and switch_flag=0

圖6 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制電能采集終端供斷電

3）調(diào)用send（c[i].fds，msg，strlen（msg），0）向電能采集終端發(fā)送使繼電器關(guān)閉或開(kāi)啟的指令switch_0或switch_1。

4）更改該用戶的標(biāo)志switch_flag數(shù)值，使用update語(yǔ)句。

4.2 電費(fèi)充值

電費(fèi)充值功能由管理人員利用學(xué)校管理處電腦上的繳納電費(fèi)軟件Recharge完成。管理人員在彈出的充值界面中輸入用戶名和充值金額，點(diǎn)擊“充值”即可實(shí)現(xiàn)Expenses值的更新。Recharge基于MFC架構(gòu)，其程序流程如圖7所示。

5 系統(tǒng)運(yùn)行效果與分析

經(jīng)實(shí)踐測(cè)試，當(dāng)Server開(kāi)啟后所有的client可及時(shí)連接上服務(wù)器并很快進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。Server可同時(shí)接收并處理17個(gè)終端的數(shù)據(jù)，如圖8所示。當(dāng)某實(shí)驗(yàn)室的電費(fèi)余額小于等于0或恢復(fù)大于0狀態(tài)時(shí)，服務(wù)器會(huì)及時(shí)向該終端發(fā)送斷電或開(kāi)電指令。繳費(fèi)軟件運(yùn)行正常，繳費(fèi)成功后會(huì)彈框提醒“電費(fèi)充值成功”。

圖7 電費(fèi)充值程序流程圖

圖8 Server的并發(fā)測(cè)試

基于GPRS的高校實(shí)驗(yàn)室電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效實(shí)時(shí)監(jiān)控分散分布于校園各處實(shí)驗(yàn)室的電量，兼具可靠性和節(jié)省人工成本的優(yōu)點(diǎn)。此外，該系統(tǒng)方便管理員在任何時(shí)間、地點(diǎn)來(lái)查詢各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的電量信息，省去到各實(shí)驗(yàn)室查看電表的繁瑣工作，有助于提高工作效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種適用于高校實(shí)驗(yàn)室的智能電表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)不但可以對(duì)高校各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且能在準(zhǔn)確記錄和計(jì)算數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)用電管理功能。整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔高效，系統(tǒng)開(kāi)銷小。系統(tǒng)同樣適用于偏遠(yuǎn)地方或針對(duì)其它設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，因此系統(tǒng)的應(yīng)用范圍并不拘泥于此，具有可擴(kuò)展性。

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Monitoring the electric power of laboratories in universities through GPRS

TIAN Ying，WU Yi
（SchoolofElectronicandInformationEngineering，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin 300401，China）

The new development direction of electric power supply system is information and interaction.Through analysising the usage situation of electric power of different regions，electric power supply system can supply electric power automaticly and reasonablely so as to achieving the purpose of saving resources.To improve system efficiency and energy utilization and reduce labor costs，a electric power monitoring system for laboratories of universities is necessary to be established.The system chooses GPRS as main communication mode.Through combinating digital household electric meter，Open1081，sim900a module and cloud services，it can not only real-time monitor electric power of laboratories，but also can realize power management function.

electric power monitoring；GPRS；cloud services；MySQL；electricity management

TN915.5

：A

：1674－6236（2017）05-0107-05

2016-03-05稿件編號(hào)：201603056

河北省自然科學(xué)基金（E2015202109）

田 穎（1989—），女，山西晉中人，碩士。研究方向：智能控制和智能系統(tǒng)。