基于物聯網的智能一體化表設計

符長友， 雷 文， 朱文忠， 藍集明， 易國平

(四川理工學院 計算機學院，四川 自貢 643000)

基于物聯網的智能一體化表設計

符長友， 雷 文， 朱文忠， 藍集明， 易國平

(四川理工學院 計算機學院，四川 自貢 643000)

針對目前家庭中水表、電表各自為政，沒有高效協作、統一處理，采用多種傳感器、ZigBee無線通信、4G無線通信、嵌入式微處理器等物聯網技術設計出一款基于物聯網的智能一體化表。闡述了其系統架構與工作原理、硬件設計以及軟件設計等。實踐表明，基于物聯網的智能一體化表不僅具有實時監測用戶的水、電相關參數與階梯計費，而且在水力、電力公司和用戶之間構建全新的供用水、供用電關系，從而有效促進整個社會資源消費結構的轉變。

智能一體化表； 物聯網； ZigBee； 傳感器

0 引 言

目前，我國普通家庭用戶收費計量含多種表計，如水表、電表、氣表等。當前的狀態是它們各自計量、計費，無法實行有效地統一管理。因此建設部要求將水、電、氣的計量功能高度整合與有效集成，并迫切希望有一種全新的、一體化的多功能智能表計問世，以實現水、電、氣的準確計量與高效管理[1-5]。

為此，經深入研究，設計出一款基于物聯網的智能一體化表，實現水、電的準確計量與階梯計費，同時也將水力、電力公司實現水網、電網的信息化、自動化、互動化，并在水力、電力公司和用戶之間構建全新的供用水、供用電關系，促進整個社會資源消費結構的轉變，提高資源利用效率和減少資源浪費，有效推動低碳電力、水力、低碳能源乃至低碳經濟的發展，從而提升我國水力、電力公司的供水、供電服務水平與管理水平[3-10]。

1 系統架構與工作原理

基于物聯網的智能一體化表由多個智能一體化表與系統管理中心(軟件)構成，兩者之間通過4G實現數據交互，這樣便于用戶及時查詢、知曉及掌握所使用水、電資源情況及最新數據，如圖1所示。智能一體化表將實現水量、電量的智能感知與實時采集，并自動對用水、用電實行階梯實時計費、實時在線顯示。同時將所采集的用水、用電信息自動存儲并把相關信息通過4G發送給系統管理中心。智能一體化表也可接收系統管理中心發來的控制指令，并執行相應的控制操作。此外，用戶也可采用短信方式通過智能一體化表來主動查詢用水、用電及相關費用等信息。

圖1 基于物聯網的智能一體化表系統功能框圖

智能一體化表由水量智能采集終端與信息采集處理系統構成，兩者通過ZigBee無線通信方式進行數據交互，如圖2(a)所示。水量智能采集終端實現水流量自動采集，并將所采集的信息通過ZigBee實時傳送給信息采集處理系統。同時也可接收信息采集處理系統發來的控制指令(如關閉電磁閥等)，并執行相應的控制操作。此外還需要感知水的溫度，特別是在冬天時需判斷出水管里的水是否已結冰，所以需要溫度傳感器。因此水量智能采集終端由微處理器、流量計傳感器、溫度傳感器、電磁閥、ZigBee無線通信模塊組成，如圖2(b)所示。

(a) 智能一體化表功能框圖

(b) 水量智能采集終端功能框圖

圖2 智能一體化表結構圖

信息采集處理系統含有用電信息的智能感知與自動采集，以及用電階梯計費、用水階梯計費與實時顯示。并將所采集的電能參數與設定值進行比較、判定。如果某項參數超過設定值，則自行預警，并及時斷電，保護電氣設備。同時，把用戶的用水、用電信息定時向系統管理中心發送，也可接收系統管理中心發送的控制指令，并執行其相關操作及控制。因此信息采集處理系統由電能參數傳感器、嵌入式微處理器、ZigBee無線、4G無線、實時時鐘、LCD顯示器、繼電器等組成，如圖3所示。

圖3 信息采集處理系統功能框圖

2 關鍵點電路設計

2.1 流量計傳感器

流量計傳感器作為水量感知的終端，是整個系統的一個重要部件。為了確保計量的精準，采用高性能的FPR1501流量計。該器件工作電壓為DC 12～15 V，額定壓力為0.1 MPa，介質流體溫度為0～70 ℃。其提供高度線性的0～5 V DC輸出信號和緩沖的線性脈沖輸出信號進行累加,可高精度測量低至15 mL/min的微小液體流速[11]，其電路設計如圖4所示。

圖4 水量智能采集終端原理圖

2.2 ZigBee無線通信模塊

ZigBee無線通信模塊選用DRF1605H。該模塊與IEEE802.15.4兼容，易于使用且功耗極低，以確保關鍵數據的可靠傳輸。其小巧的外形以節省板卡空間。同時該模塊工作在ISM 2.4 GHz頻段，并支持較寬范圍的數據系統應用。可通過AT命令進行高級配置[12]，其電路設計如圖4所示。

2.3 水量采集微處理器

由于水量智能采集終端的數據量少，其運算處理量也較小，并且ZigBee傳輸速率低，因此微處理器采用LPC811M001。該芯片是基于Cortex-M0的低成本32位MCU，工作頻率可高達30 MHz。且帶有8 KB的閃存和2 KB的SRAM，其外設包括1個I2C總線接口、2個USART、1個SPI接口、1個多速率定時器、狀態可配置定時器、1個輸入模式匹配引擎和14個通用I/O引腳[13]，其電路設計如圖4所示。

2.4 電能參數傳感器

電能參數智能感知采用ATT7053AU，是一款帶SPI接口的單相多功能計量芯片，其工作電壓為3.0～3.6 V。該芯片的特征為：3路19位sigma-delta A/DC，采樣率為28 kHz/14 kHz/7 kHz(可調)；支持3 000∶1的動態范圍；支持無功、有功、視在功率和電能脈沖輸出；可同時得到三通道的有效值，以及電壓頻率，電壓電流相位；還具有過零中斷、防竊電等功能[14]。其電路設計如圖5所示。電壓信號從V3P(L)、V3N(N)接入，電流信號從V2P(L)、V2N(N)接入，零線從V1P、V1N接入。

圖5 ATT7053AU電路設計原理圖

2.5 4G無線通信模塊

4G通信采用MC7710模塊。該模塊支持LTE，DC-HSPA+，HSPA+，HSDPA，HSUPA，WCDMA，GSM，GPRS，EDGE網絡，同時也支持0.8，0.9，1.9，2.1，2.6 GHz等多種頻率。具有隨時隨地連接互聯網、收發短信息、無線傳輸語音信息等功能，可采用PCI Express Mini Card接口或USB接口與外部微處理器進行數據通信[15]。具體設計中，利用AT指令通過USB接口對MC7710進行讀寫操作控制，其電路設計如圖6所示。MC7710的USIM_data、USIM_clk、USIM_rst分別與UIM卡座的Data、Clock、Reset引腳相連。

圖6 MC7710電路原理設計圖

2.6 系統微處理器

由于系統微處理器需與電能參數感知、ZigBee無線通信、4G無線通信等多個模塊通信，因此系統微處理器需具有SPI、UART、USB等多種接口。于是選用基于Cortex-M4F內核的TM4C1233E6PM，帶有128 KB的Flash，2 KB的E2PROM，32 KB的RAM，含8個UART接口、2個SPI接口、1個USB接口，I/O口達43個，工作頻率可達80 MHz，同時還含有1個實時時鐘，采用64LQFP封裝[16]。此外，為了確保長時間的數據存儲，采用32 GB的SD卡存儲用戶的水、電等數據。其電路設計如圖7所示。采用本設計，系統體積小、成本低、可靠性高。

圖7 TM4C1233E6PM原理設計圖

3 軟件設計

3.1 系統軟件程序設計流程圖

信息采集處理是整個系統的核心組成部分，其程序設計流程圖如圖8所示。

3.2 電能參數感知程序

電能參數智能感知是整個系統的一個重要組成部分，其核心程序部分代碼如下：

void read_Power()//讀取電表數據

{

urt0_send(0D,8); //從UART0讀取數據命令字

for(unsigned int i=0;i<2000;i++);

for(unsigned char i=0;i<64;i++) recev[i]=0;

(*tft_p).calculate(0,0,0,0ff,uart0_rave_s(recev));

// UART0接收電表反饋回來的數據

voltage=((recev[3]<<24)|(recev[4]<<16)|(recev[5]<<8)|(recev[6]))/10000; //電壓數據

current=((recev[7]<<24)|(recev[8]<<16)|(recev[9]<<8)|(recev[10]))/10; //電流數據

power=((recev[11]<<24)|(recev[12]<<16)|(recev[13]<<8)|(recev[14]))/10000; //功率數據

……

圖8 系統軟件流程框圖

3.3 流量計傳感器程序

水流計量也是整個系統的一個重要組成部分，其子程序部分代碼如下：

tick_time++;

if(tick_time>(32*3)) //每隔3秒測量水流

{

water_flow=(double)(water_time*1000)/(double)(3*550); //水流(mL/s)

water_volume+=(double)(water_flow*3)/(double)1000; //

累計用水量water_time=0;

tick_time=0;

}

3.4 4G無線通信子程序

4G無線通信是智能控制、管理的核心部分，其子程序部分代碼如下：

uart2_send_s((unsigned char*)”AT ”,recev);

uart2_send_s((unsigned char*)”AT+CSCS=”GSM”

”,recev);

uart2_send_s((unsigned char*)”AT+CMGF=1 ”,

recev);

unsigned char phone_0[50];

unsigned char phone_2[ ]=”” ;

strcpy((char*)phone_0,”AT+CMGS=” ”);

……

3.5 ZigBee無線通信子程序

ZigBee無線通信子程序部分代碼如下：

4 測試數據

用Philips公司生產的25 W/230 V、40 W/230 V、60 W/230 V普通白熾燈泡作為被測對象，同時又用專業設備測試，所得數據如表1所示。

表1 一體化智能表在不同負載時的監測與儀器實測對比表

注：實測儀器為廣州致遠電子股份有限公司生產的在線式多回路電能質量監測裝置E8300

(a) 智能一體化表實物圖

(b) 信息采集處理系統工作界面顯示圖

(c) 信息采集處理系統工作時參數顯示圖

(d)用戶接收端水、電參數顯示圖

基于物聯網的智能一體化表實物工作如圖9所示。

5 結 語

基于物聯網的智能一體化表不僅能有效地實行階梯式水價、電價的用水、用電管理模式，以方便用戶選擇最適宜的用水、用電方式，而且還能高效地監管、控制水、電資源，以緩解水、電資源的緊張。此外，基于物聯網的智能一體化表還將在水力、電力公司和用戶之間構建起全新的供用水、供用電關系，從而有效促進整個社會資源消費結構的轉變，進而實現低碳社會。

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Design of Smart Integrated Meter Based on Internet of Things

FUChangyou,LEIWen,ZHUWenzhong,LANJiming,YIGuoping

(School of Computer Science, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, Sichan, China)

At present, the water meter and power meter without efficient collaboration, lack of coordination and unified management in family. So a smart integrated meter based on Internet of Things (IoT) is proposed and designed with adopting multi-sensors, ZigBee wireless communication, 4G wireless communication, embedded microcontroller and other IoT techniques. The system architecture, working principle, hardware design and software design are described in detail in this paper. The practice shows that the smart integrated meter has real-time monitoring of the user's water, power parameters and can complete ladder billing. Meantime a new combination of water supply, power supply and demand relationship between hydraulic, power company and user is constructed. Thus the whole social resources consumption structure is changed further.

smart integrated meter; internet of things; ZigBee; sensors

2016-09-18

四川省院士(專家)工作站基金項目(2014YSGZZ01)；四川省教育廳科技項目(14ZB0214,16ZA0258);企業信息化與物聯網測控技術四川省高校重點實驗室基金項目(2016WZY201)；江河流域生態環境的集成感知與應用四川省院士(專家)工作站(2015YSGZZ04)

符長友(1976-),男,四川岳池人,高級實驗師，研究方向:工業控制、智能監測、物聯網應用。

Tel.:0813-5505917，13990076672；E-mail:fcybill@163.com

TP 273.5；TP 216.2

A

1006-7167(2017)06-0133-05