基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

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摘 要：電力企業(yè)需要對(duì)智能電表進(jìn)行監(jiān)控，本文介紹一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表數(shù)據(jù)采集器。此采集器擁有獨(dú)立的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，也提供API函數(shù)接口，支持的通信協(xié)議是基于RS485總線的Modbus。這些功能支持智能電表進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并可幫助其實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控及雙向網(wǎng)絡(luò)傳輸。采集器的適用環(huán)境廣泛，實(shí)用性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能電表；數(shù)據(jù)采集器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.130

0 引言

基于社會(huì)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已具雛形，智能電網(wǎng)發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)電表已經(jīng)不再能滿足發(fā)展需求，智能電表將完成傳統(tǒng)電表的替代。目前有多種遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，如專用光線網(wǎng)絡(luò)的方式、電話交換網(wǎng)絡(luò)的方式、GPRS方式等。以上這些方式不論是在成本，還是在功耗等方面，都各有優(yōu)缺點(diǎn)。電力企業(yè)需要一種新型的，集合各種優(yōu)點(diǎn)于一身的采集方式[1]。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表數(shù)據(jù)采集器的整體介紹

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表數(shù)據(jù)采集器的工作流程

數(shù)據(jù)采集器工作流程如下：

（1）進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理工作，此項(xiàng)工作通過RS485總線終端智能儀表節(jié)點(diǎn)完成；

（2）進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換；

（3）開始TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的封裝打包工作；

（4）將數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)，此步通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行，以供上方監(jiān)控平臺(tái)使用。

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表數(shù)據(jù)采集器的功能概述

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，采集器還可接收遠(yuǎn)程發(fā)來的命令，并將命令下達(dá)至智能儀表的節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的雙向通信與控制效果。此外，采集器承擔(dān)著本地存儲(chǔ)、調(diào)試等多項(xiàng)功能。因此，數(shù)據(jù)采集器從本質(zhì)上是一個(gè)集網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)采集功能于一體的智能型設(shè)備[2]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表數(shù)據(jù)采集器的功能圖如下圖1所示。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表數(shù)據(jù)采集器的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表數(shù)據(jù)采集器的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基本標(biāo)準(zhǔn)是功耗、可靠性。此外，還應(yīng)兼顧現(xiàn)場(chǎng)的供電及日后維護(hù)等條件，主要包含以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

（1）低功耗方面：利用低功耗主控器、外圍功能元件來實(shí)現(xiàn)低功耗；

（2）多方案供電方面：在實(shí)際應(yīng)用中除外部電源適配器供電方式外，還應(yīng)為其配備后備電池；

（3）易維護(hù)性方面：通過預(yù)留本地的調(diào)試接口，利于日后的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，此外還可通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的方式來進(jìn)行授權(quán)維護(hù)；

（4）抗干擾及穩(wěn)定性方面：在選用器件時(shí)，選擇抗電磁干擾性強(qiáng)的器件，將電路進(jìn)行合理規(guī)劃，設(shè)計(jì)科學(xué)的分區(qū)布局，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的溫度、濕度并及時(shí)進(jìn)行異常情況處理等。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表數(shù)據(jù)采集器的終端設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器的硬件采取的形式為模塊化的電路設(shè)計(jì)，主要包括：

（1）網(wǎng)絡(luò)模塊：網(wǎng)絡(luò)接口選用HR911105A的RJ45接口，因其內(nèi)部含有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換、保護(hù)電路，所以減少了PCB的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：在模塊的選擇時(shí)，選取小型大容量記憶卡作為存儲(chǔ)載體，減少占地空間，提升存儲(chǔ)容量。

（3）微控制器最小系統(tǒng)模塊：選取滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的飛思卡爾的超低功耗微控制器為主控芯片，因其除包含數(shù)個(gè)接口外，還集成了功能較為強(qiáng)大的定時(shí)裝置、高速模擬比較器。

（4）電源管理模塊：系統(tǒng)需要對(duì)核心部分、采集部分、網(wǎng)絡(luò)部分的電路采取穩(wěn)壓設(shè)計(jì)以降低功耗及干擾因素。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表數(shù)據(jù)采集器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)所采取的設(shè)計(jì)思路是服務(wù)式、層次化。

（1）對(duì)應(yīng)不同的模塊，編寫出相應(yīng)的通信協(xié)議代碼、驅(qū)動(dòng)代碼；

（2）ARM內(nèi)核的NVIC可幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種任務(wù)的進(jìn)行實(shí)行任務(wù)的交替、調(diào)度，最終實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理過程；

（3）對(duì)程序代碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終使得系統(tǒng)對(duì)于任務(wù)的響應(yīng)速度、對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)資源的利用率都有巨大的提升。

因?yàn)閿?shù)據(jù)采集器的軟件設(shè)計(jì)所采取的設(shè)計(jì)形式是服務(wù)式的，所以系統(tǒng)設(shè)備就以服務(wù)進(jìn)程方式進(jìn)行，主要包括：初始化服務(wù)、后臺(tái)調(diào)試服務(wù)、文件系統(tǒng)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)、數(shù)據(jù)采集服務(wù)。

因?yàn)閿?shù)據(jù)采集器的軟件設(shè)計(jì)所采取的設(shè)計(jì)思想是層次化結(jié)構(gòu)，所以系統(tǒng)利用層次分明的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行一系列的程序設(shè)計(jì)，這些對(duì)于代碼的編寫、修改以及閱讀都非常有利。主要包括：TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、存儲(chǔ)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表數(shù)據(jù)采集器利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，將數(shù)據(jù)采集、電量計(jì)量及數(shù)據(jù)處理集合于一體，亦將居民電量能耗信息、綜合處置相結(jié)合。其不但可節(jié)省人力資源成本，又提高相關(guān)管理部門的工作效率。對(duì)電力客戶現(xiàn)有的電表資源及通訊資源加以充分利用，并借助于計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)建立起一種智能電表數(shù)據(jù)采集器，大大提升電力企業(yè)的工作效率，降低成本，增加經(jīng)濟(jì)效益[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]亢紅波，許宏科.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015（08）：15-18.

[2]亢紅波，許宏科.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2015（04）：230-233.

[3]阮蕾.居民用電表遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息，2015（31）：129.