基于云技術的用電信息采集監控系統

祝驊

摘 要：文中設計了一種基于云技術的用電信息數據采集監控系統。該系統中，智能電表采集家庭或企業用戶的用電信息，再通過無線傳輸技術將信息傳遞給云服務器。用戶可通過移動互聯網終端或PC端的瀏覽器訪問這些數據，了解用電情況。同時，該系統的維護可對收集的大數據進行深入挖掘，進行深層次的商業開發。

關鍵詞：用電信息；智能電表；Apache服務器；監控系統

中圖分類號：TP39；TN432 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-0-02

0 引 言

目前，我國企業和家庭用戶只有少量的電表計量計費，這些電表的計量數據由供電公司通過遠程抄表系統或傳統的手工抄表方式進行數據采集，多數情況下每月計量一次。對企業用戶而言，一方面這些數據并不掌握在自己手中，另一方面數據量太小不足以指導企業進行節能減排的優化管理。

實際上，在絕大多數場合，除了計量計費的電表外，多數配電系統都帶有用于計量、分析的智能電表，但并未獲得更多關注。一些有實力的企業為獲得歷史數據用于分析和展示用電情況，專門建設監控系統，對數據進行采集、記錄和分析。這類系統也存在一定的缺陷：每個企業根據自身需求各自建立系統，成本較高；數據未聯網，監控和管理不方便。由于缺乏有效驅動進行維護，這類系統建設起來后難以發揮作用。

本文開發出一套基于云技術的電能信息大數據采集監控平臺，將企業或個人用戶現有的智能電表接入互聯網，時刻向云端上傳用電信息，存儲用戶數據。用戶可通過Web瀏覽用電數據及歷史信息。這樣可避免企業用戶各自斥資建立監控系統，同時也可讓家庭用戶掌握自己的用電情況。

1 系統組成

1.1 系統結構

系統由采集端、云端和客戶端三部分組成。采集端包含可連接互聯網的智能電表，采集用電信息，并將這些信息傳遞到云端。云端負責接收和存儲用戶的用電信息，用戶可在客戶端（PC或移動終端）訪問這些信息。系統框圖如圖1所示。

采集端的智能電表由STM32單片機開發，通過4G或WiFi模塊，可定時從電表讀取用電信息，并發送到互聯網云端的服務器。服務器接收并存儲這些用電信息，用戶可通過互聯網終端如PC、手機等訪問這些數據。

1.2 智能電表

截止目前，智能電表技術已廣泛應用于企業及家庭的供配電系統。目前智能電表的國家標準主要為中華人民共和國電力行業標準DL/T 645—2007《多功能電能表通信協議》，該標準統一和規范了多功能電表與數據終端設備進行數據交換時的物理連接和協議，有利于計量產品質量的提高，對電管理部門改革人工抄表，實現遠方信息傳輸，提高電管理水平起到推動作用[1]。上述電表主要用于供電公司的遠程計量計費，由供電公司統一安裝與維護。除了此類電表外，用電單位基于自身的用電信息可視化的需求會自行開發采集監控系統，一般稱為SCADA系統。為方便地集成監控網絡，目前市場上常見的這類電表多采用ModBus協議，遵循GB/T 19582—2008

《基于ModBus的工業自動化網絡規范》[2]。本設計開發了一套有別于上述兩種的智能電表，該電表具有接入互聯網的功能，可將實時采集到的電能信息發送到云端的服務器，用于存儲。

1.3 服務端和客戶端

服務端可采用任何可進行互聯網訪問的服務器，如租用阿里云、亞馬遜云等。其作用是接收并存儲采集端發送的用電信息，并響應客戶端發送的請求，向用戶顯示用電信息。服務端的應用開發完成后，客戶端只需通過瀏覽器訪問這些數據。

2 智能電表的設計

2.1 智能電表的構成

本系統開發了一種能夠接入互聯網的智能電表軟硬件，軟件采用C語言編寫，硬件主要分成電能計量部分、主控部分及互聯網接入部分。其中互聯網接入部分包含兩種備選方案，一種是4G信號接入，一種是WiFi信號接入。兩種方案各有優劣：4G接入只需要處于4G網絡覆蓋的場所，比較適合工廠車間等沒有WiFi的環境，但通信會產生費用，成本較高；WiFi可免費接入互聯網，但需要電表身處于一個WiFi環境，比較適合家庭使用。本文以WiFi信號接入為例介紹本系統。

2.2 電能計量部分

電能計量部分有較多成例可供參考[3-5]，本系統選用美國Analog Devices 公司生產的高精度單相電能計量芯片ADE7755。根據官方數據資料設計原理如圖2所示。

2.3 主控部分

主控部分采用單片機來實現，包括連接兩個LED指示燈、復位電路、連接聯網模塊等功能。因此可選用常見的51單片機或STM32芯片，本設計選擇宏晶科技的STC15W408AS。該單片機可兼容3.3 V或5 V工作電壓，片內包含8 kB的FLASH存儲器、512 B的SRAM、兩路UART等，原理如圖3所示。其中1和2腳分別接紅、藍指示燈，5腳接復位電路，6和8腳分別接電源和地，13到16腳接聯網模塊，11腳接電能計量部分的脈沖信號CF，9和10腳是編程接口。

2.4 互聯網接入部分

互聯網接入部分有兩種方案，WiFi接入或4G接入，本文采用WiFi接入方案。WiFi模組選用深圳市安信可科技有限公司開發的基于樂鑫ESP8266的模組（超低功耗的 UART-WiFi 模塊的模組），可方便地進行二次開發，使設備接入云端服務，加速產品原型設計。根據安信可官方技術資料，設計原理如圖4所示。其中：2和7腳為電源和地；4和6腳分別為復位腳與使能腳，接到STC15W408AS單片機的P1.1和P1.0；1和8腳為UART，接到STC15W408AS單片機的13，14腳。

2.5 智能電表的軟件

電表軟件指的是STC15W408AS單片機內運行的程序，由C語言編寫，包括電能計量程序和聯網程序。電能計量程序相對簡單，是對ADE7755產生的脈沖序列CF進行計數，用外部中斷程序實現。

聯網程序流程如圖5所示。系統啟動后，首先檢測ESP8266是否配網，若未配網則進入配網模式等待用戶配網，配網模式下LED2（紅燈）閃爍。配網方案可參考安信可科技的微信配網例程。若ESP8266已配網，開始進入數據發送模式。進入數據發送模式之后系統每個整點將本機ID、能耗情況、時間戳組合成一個信息幀，以HttpRequest的形式發送至服務端。若發送不成功，間隔3 s重試，最多重試3次，仍不成功則進入配網模式。

3 云端系統的設計

云端系統可建立在阿里云、亞馬遜AWS等公有云上，也可建立在私有云上。云端系統包含一個HTTP服務器和數據庫服務器。本文采用Apache服務器提供HTTP服務，用MySQL提供數據庫服務，采用PHP語言開發。云端系統提供了用戶管理功能、電能信息查詢展示功能、報表導出功能等。客戶用瀏覽器瀏覽數據時的界面如圖6和圖7所示。

4 結 語

本文設計了一套基于云技術的電能信息采集監控平臺，包括一款智能電表的開發和云端網站的設計。智能電表將用戶的用電信息傳送至云端存儲，用戶可通過瀏覽器查詢自己的用電信息或導出報表，以滿足企業或個人用電信息可視化的需求。此外，用戶的用電信息數據量達到一定程度后，可形成大數據以便進行深層次的商業開發。

參考文獻

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[2]國家工業過程測量和控制標準化技術委員會. 基于ModBus的工業自動化網絡規范GB/T19582—2008[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

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