基于4G的多功能一體化表的設計

符長友+雷文+藍集明+李行

摘 要： 針對當前家庭中水表、電表無法實現高效運行與統一管理，提出并采用多種傳感器、4G無線通信、WiFi無線通信、嵌入式微控制器等先進的物聯網技術，設計出一款基于4G的多功能一體化表。詳細闡述了其系統構成、硬件與軟件設計等。實踐表明，基于4G的多功能一體化表不僅能實時在線監測用戶的水、電相關數據并實現階梯計費，而且還有助于在自來水力公司、電力公司、用戶三者間構建起全新的供用水、電關系，從而將有效促進社會資源消費結構的進一步提升。

關鍵詞： 多功能一體化表； 物聯網； WiFi； 4G； 微控制器

中圖分類號： TN711?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0127?04

Design of integrated multifunctional meter based on 4G network

FU Changyou1，2， LEI Wen1， LAN Jiming1， LI Hang1

（1. School of Computer Science， Sichuan University of Science & Engineering， Zigong 643000， China；

2. Sichuan Academician （Expert） Workstation， Sichuan University of Science and Engineering， Zigong 643000， China）

Abstract： Since the current domestic water meter and electricity meter can′t realize the efficient operation and unified treatment， the multi?sensor， 4G wireless communication， WiFi wireless communication， embedded microcontroller and advanced IoT （Internet of Things） technology are used to design a integrated multifunctional meter based on 4G network. The system composition， working principle， hardware design and software design of the meter are described in detail. The practice result shows that the integrated multifunctional meter based on 4G network can monitor the relevant parameters of users′ water consumption and electricity consumption to realize ladder billing， and is conducive to construction of the new water?electricity supply and demand relation among hydraulic company， electric power company and user to promote the change of the whole social resources and consumption structure effectively.

Keywords： multifunctional and integrated meter； Internet of Things； WiFi； 4G； microcontroller

0 引 言

目前我國家庭含有多種表計，如水表、電表、氣表等，它們各自為政，無法實現高效的運行與統一管理。為此住建部要求水、電、氣等多種計量表應高度集成、有效整合，同時還迫切要求有一款全新的、一體化的多功能智能表計，以實現水、電、氣的精確計量與高效管理[1?5]。

隨著對供水、供電方面的深入研究，設計出一款基于4G的多功能一體化表，以實現用戶用水、用電的精準計量與階梯計費。同時也有助于自來水公司、電力公司對水網、電網實現信息化、自動化、智能化，并在自來水公司、電力公司與用戶三者間構建起全新的供用水、供用電關系，從而促進社會資源消費結構的深層次轉變，提升資源利用率、減少浪費，進而高效推動低碳水力、電力，低碳能源以及推動低碳經濟的穩步發展，全面提升自來水公司、電力公司的供水、供電管理水平、服務水平、互動化水平[3?9]。

1 系統架構與工作原理

基于4G的多功能一體化表由多個一體化表與資源管理中心（軟件）構成，通過4G實現數據通信，這樣便于自來水公司、電力公司、用戶及時查詢、更新及快速掌握水、電資源使用情況及最新信息，如圖1所示。一體化表將實現水量、電量的實時感知與智能處理，并對用戶的用水、用電自動實行階梯計費、實時在線顯示、信息及時更新。同時將用水、用電信息自動保存并將相關數據通過4G以短信方式傳送給資源管理中心。一體化表也可接收資源管理中心發來的控制指令，并執行相關的控制操作。此外，用戶可采用短信或WiFi方式通過一體化表來主動查詢用水用電及相關費用等信息，也可通過短信或瀏覽資源管理中心的相關Web頁面來查詢所關注的信息等。

一體化表由水量采集終端與信息處理單元構成，二者通過WiFi無線通信方式進行數據通信，如圖2（a）所示。水量采集終端實現水流量實時采集，并將所采集的信息通過WiFi發送給信息處理單元。同時也可接收信息處理單元傳來的控制命令，并執行相關的控制動作。水量采集終端由微控制器、流量傳感器、電磁閥、溫度傳感器、實時時鐘、WiFi無線通信等模塊組成，如圖2（b）所示。endprint

信息處理單元實現電能參數的實時感知與在線采集，以及用電量、用水量的階梯計費與實時自動顯示。同時將所采集的電能參數、水流量參數與預先設定的標準值進行對比、研判。如果某項參數超出標準值，則產生故障預警并自動及時斷電、斷水，以保護用戶家庭設備。同時把故障信息以短信方式及時告知用戶。此外，信息處理單元還把用戶的用水、用電信息快速向資源管理中心發送，當然也可接收資源管理中心或用戶發來的控制命令或查詢命令，并執行其相關的控制操作。因此信息處理單元由電能參數傳感器、高性能嵌入式微控制器、WiFi、實時時鐘、4G、LCD顯示、繼電器等組成，如圖3所示。

2 關鍵點電路設計

2.1 WiFi無線通信模塊

WiFi無線通信模塊采用小型、低功耗、高性能的SZ12?01?LPW。該模塊集成了IEEE 802.11b/g/n，射頻以及一個可運行WiFi網絡協議棧，其內置512 MB的閃存，波特率為1 200～115 200 b/s，采用3.3 V供電。工作于ISM 2.4 GHz，可對14個信道分別進行選擇或域限制，通信距離[10]為200 m。其電路設計如圖4所示。

2.2 電能參數傳感器

電能參數感知采用ATT7059S，是一款帶UART接口的單相多功能電能計量芯片，其工作電壓為5.0 V。該芯片的特征為：三路22位Σ?Δ ADC；支持5 000∶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2路計量通道的有功功率、無功功率，以及電壓頻率，電壓電流相位[11]。其電路設計如圖5所示。電壓信號采集從V3P，V3N接入，電流信號采集從V1P，V1N接入。

2.3 4G無線通信模塊

4G通信采用尺寸小、質量輕的高性能MC7700模塊，其支持LTE，DC?HSPA+，HSPA+，HSDPA，HSUPA，WCDMA，GSM，GPRS，EDGE網絡，具有100 Mb/s的下載速度和50 Mb/s上傳速度，集成了 GPS性能，支持Linux與Windows系統，可采用PCI?E或USB接口與外部微控制器進行數據通信[12]。在具體設計中，采用簡單的USB接口對MC7700進行讀寫控制操作，如圖6所示。MC7700模塊的USIM_rst，USIM_data，USIM_clk分別與UIM卡座的U_RST，U_DATA，U_CLK引腳相連。

2.4 嵌入式微控制器

由于嵌入式微控制器需與電能參數感知、WiFi、4G、存儲MMC卡等多個模塊通信，因此嵌入式微控制器需具有UART，USB，SPI等多種接口。于是選用基于ARM Cortex?M4內核的LPC54113J128，其帶有128 KB FLASH，96 KB SRAM，含4個UART接口、2個SPI接口、1個USB接口，I/O口可多達48根，工作頻率可高達100 MHz，同時還含有1個實時時鐘RTC[13]，以保證水、電數據的高實時性與高效性。此外，為了確保長時間的信息數據安全并方便實時存儲，采用小巧的MMC卡來存儲用戶的水、電等相關數據。其電路設計如圖7所示。

3 軟件設計

3.1 電能參數感知程序

電能參數實時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 Write_SPI（unsigned char Com， unsigned long data） { SPI_CS=1； //SPI總線使能

SPI_SCLK=0；

SPI_CS=0；

Com|=0x80； //發送1 B的命令字

for（n=7；n>=0；n??）

{ SPI_SCLK=1；

SPI_DIN=Com.n；

SPI_SCLK=0；

}

for（n=23；n>=0；n??） //讀取24位電能參數數據

{ SPI_SCLK=1；

SPI_DIN=data.n；

SPI_SCLK=0；

} SPI_CS=1；

…

3.2 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：

unsigned char phone_1[ ]="＼r＼n"；

strcpy（（char *）phone_0，"AT+CMGS=＼"）；

strcat（（char *）phone0，（char *）phone_num）；

strcat（（char *）phone0，（char *）phone_2）；

uart1_send_s（（unsigned char*）phone_0，rece）；

uart1_send_s（s，rece）； //s為要發送的字符串

while（UTRSTAT2&（0x3<<1））！=（0x3<<1）； //等待發送

UTXH1=0x1a； //發送短信

uart1_send_s（（unsigned char*）"AT+CMGR=18＼r＼n"， rece）；

…

3.3 WiFi無線通信子程序

WiFi無線通信子程序部分代碼如下：

AT+SZ_NETWORKTYPE=STA/r/n；

AT+SZ_SECURITY=OPEN/r/n；

AT+SZ_WEPINDEX=0A/r/n；

AT+SZ_DHCP=ENABLE/r/n；

AT+SZ_IP_DEFAULT=192.169.23.12/r/n；endprint

AT+SZ_UARTDATA_CHECK=ODD/r/n；

AT+SZ_UARTDATA_STOPBIT=1/r/n；

AT+SZ_DATELENGTH=10/r/n；

AT+SZ_SAVE_CONFIG=SAVE/r/n；

…

4 測試數據

由P=UIcos φ，Q=UIsin φ，S=UI，其中φ為相電壓與相電流間的相位差角，即可計算出系統的有功功率、無功功率與視在功率[5]。采用廣東三雄極光照明股份有限公司生產的25 W/230 V，40 W/230 V，60 W/230 V白熾燈泡作為系統的被測對象，同時又采用專業設備進行測試。實測儀器為廣州致遠電子股份有限公司生產的功率分析儀PA6000。其測試數據如表1所示。

表1 多功能一體化表在不同負載下的監測與儀器實測對比表

注：U為電壓；I為電流；P為有功功率；Q為無功功率；S為視在功率；

E為耗電量；f為線頻率

5 實物圖片

基于4G的多功能一體化表實物工作如圖8所示。

6 結 論

基于4G的多功能智能一體化表不僅能高效地實現水、電的運行參數實時在線顯示、階梯式計費與供水、供電的管理模式，方便用戶選擇最適宜的用水、用電方式，而且還能非常高效地控制、監管水、電資源，以節約有限的水、電資源。此外，基于4G的多功能智能一體化表還在自來水、電力公司與用戶三者之間構建起全新的供用水、電關系，從而將有效促進社會資源消費結構的巨大轉變，進而實現低碳、生態節約型社會。

參考文獻

[1] 符長友，馬鋼，周苗苗.基于物聯網的高級量測體系的設計[J].電測與儀表，2012，49（7）：45?48.

[2] 符長友.大型機電設備電氣參數監測與故障診斷裝置[J].電子技術應用，2012，38（5）：136?138.

[3] 藍集明，符長友，周苗苗.基于物聯網的智能電表系統設計[J].計算機測量與控制，2013，21（7）：2018?2019.

[4] 符長友，雷志勇，李行.基于物聯網的智能插座的設計[J].現代電子技術，2016，39（8）：122?125.

[5] 符長友，何俊鵬，楊鑫.基于物聯網的機電設備實時監測與診斷系統[J].四川理工學院學報（自然科學版），2014，27（5）：21?28.

[6] 王思彤，周暉，袁瑞銘，等.智能電表的概念及應用[J].電網技術，2010，34（4）：17?23.

[7] 孫慶青.大規模智能水表市場即將開啟[N].中國建設報，2014?02?11（6）.

[8] 許高陽，宣筱青，司慶華，等.云計算智能電表在電力系統的應用[J].電力信息化，2012，10（10）：114?118.

[9] 趙羨龍，李曉林.智能電表在智能用電中的重要作用[J].沈陽大學學報（自然科學版），2012，24（6）：26?29.

[10] 上海順舟智能科技股份有限公司.SZ12?01?LPW WiFi模塊產品手冊V1.0[EB/OL].[2016?05?20].http：//shuncom.com/filedownload/4217.

[11] 鉅泉光電科技（上海）股份有限公司.ATT7059S用戶手冊V1.6[EB/OL].[2014?12?01].http：//www.hitrendtech.com/download/ATT7053BU_ATT7059S_ATT7059C%E7%94%A8%E6%88%B7%E6%89%8B%E5%86%8CV1.6.pdf.

[12] Sierra Wireless， Inc. Product technical specification & customer design guidelines of AirPrime MC7700 Ver. 8 [EB/OL]. [2010?02?11]. http：//www.alibaba.com/product?detail/Sierra?Wireless?AirPrime?MC7700?module_1786057923.html

[13] NXP Semiconductors. Product datasheet of LPC5411x Rev.1.2 [EB/OL]. [2011?05?23]. http：//cache.nxp.com/documents/data_sheet/LPC5411X.pdf？pspll=1.endprint