基于物聯(lián)網(wǎng)的智能用電節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)

沈潔 沈丁琦 凌紅英 鄭暉暉

摘 要：家用能源浪費(fèi)一直是我國(guó)能源領(lǐng)域的一個(gè)痛點(diǎn)，為了達(dá)到實(shí)時(shí)管控電能、預(yù)防用電事故發(fā)生、節(jié)約用電能耗的目的，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能用電節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及現(xiàn)代傳感器技術(shù)建立一種物聯(lián)網(wǎng)智能用電管理系統(tǒng)。其中應(yīng)用服務(wù)端采用WiFi協(xié)議與智能網(wǎng)關(guān)通信，智能網(wǎng)關(guān)采用LoRa協(xié)議與子電表通信，使用者在Web端、手機(jī)微信端都可以實(shí)時(shí)查看電表數(shù)據(jù)和控制電表用電。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);LoRa通信技術(shù);WiFi通信技術(shù);智能用電;遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制;電表管理

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）05-00-03

0 引 言

近年來(lái)，各個(gè)國(guó)家相繼開(kāi)展了智能用電設(shè)備的相關(guān)研究開(kāi)發(fā)工作，智能用電設(shè)備及技術(shù)快速發(fā)展并得到各個(gè)方面的廣泛應(yīng)用，用電管控及節(jié)能控制向智能化方向發(fā)展已成為必然趨勢(shì)。隨著現(xiàn)代化的物聯(lián)網(wǎng)新設(shè)備及新技術(shù)的推廣應(yīng)用，大量科研成果已轉(zhuǎn)化并廣泛應(yīng)用到實(shí)際生活中，為智能用電節(jié)點(diǎn)研究提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐和設(shè)備保障。但距離成熟的智能用電發(fā)展目標(biāo)還有一定差距，主要表現(xiàn)在如下幾方面。

（1）電能的使用量越來(lái)越多，對(duì)電力采集設(shè)備的安全性及穩(wěn)定性要求也越來(lái)越高，安全監(jiān)控的難度不斷加大，必須擴(kuò)大監(jiān)控與分析的范圍，實(shí)時(shí)掌握電表節(jié)點(diǎn)設(shè)備的詳細(xì)參數(shù)信息，及時(shí)準(zhǔn)確掌握電表數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

（2）越來(lái)越多的無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式模板技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及現(xiàn)代傳感器技術(shù)均已成熟，但并沒(méi)有有效的整合，未能發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能用電節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能用電節(jié)點(diǎn)設(shè)備，對(duì)電路的暫態(tài)與動(dòng)態(tài)，以及電壓、電流、負(fù)荷、頻率等數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行監(jiān)測(cè)，達(dá)到實(shí)時(shí)管控電能、預(yù)防用電事故發(fā)生、節(jié)約用電能耗的目的。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由智能用電集中器設(shè)備、智能用電節(jié)點(diǎn)設(shè)備以及管理平臺(tái)構(gòu)成。智能用電集中器設(shè)備作為控制核心，每部智能節(jié)點(diǎn)都可對(duì)所在的固定點(diǎn)處電壓和電流的變化進(jìn)行獨(dú)立地實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。利用無(wú)線通信技術(shù)將智能節(jié)點(diǎn)、智能用電集中器、遠(yuǎn)程服務(wù)器與維護(hù)人員共同組成一個(gè)有機(jī)的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)故障信息與狀態(tài)信息便捷有效地傳遞反饋以及實(shí)時(shí)操作。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能用電節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)方案如圖1所示。

2 智能用電節(jié)點(diǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 傳輸通信技術(shù)選擇

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速興起，各種應(yīng)用日益增多，WiFi，ZigBee，Bluetooth，LoRa等無(wú)線通信傳輸協(xié)議使得構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)有了豐富的選擇。

不同的通信技術(shù)有不同的特點(diǎn)，也各有適合自己的應(yīng)用場(chǎng)景。WiFi是一種無(wú)線局域網(wǎng)通信技術(shù)，使用以太網(wǎng)通信協(xié)議，通信距離通常在幾十米。對(duì)于小范圍覆蓋、模塊小、可拓展以及信號(hào)穩(wěn)定性強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，WiFi技術(shù)為首選。

由于電流的干擾等因素，在需要中長(zhǎng)距離以及少量數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景中，目前能更滿足上述需求的最好的通信技術(shù)是LoRa無(wú)線通信技術(shù)。LoRa無(wú)線通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，并且同時(shí)兼具低功耗、低成本和抗干擾的優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，適應(yīng)于智能用電節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)需根據(jù)WiFi通信模塊以及LoRa通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 智能用電節(jié)點(diǎn)LoRa模塊設(shè)計(jì)

LoRa無(wú)線傳輸模塊功能原理圖如圖2所示。智能用電節(jié)點(diǎn)的LoRa無(wú)線傳輸模塊的搭建通過(guò)選擇基帶芯片SX1301來(lái)實(shí)現(xiàn)。SX1301是基于LoRa調(diào)制的基帶芯片，具有一些關(guān)鍵的技術(shù)特征：高達(dá)-142.5 dBm的接收靈敏度、49個(gè)LoRa“虛擬”通道和ADR技術(shù)。

SX1301是目前最成熟穩(wěn)定的LoRa無(wú)線傳輸模塊，包含以下特性：工作頻段433 MHz/470 MHz可選;8通道接收，1通道發(fā)送，收發(fā)全雙工設(shè)計(jì);8通道可接收任意 SF7～SF12擴(kuò)頻信號(hào);接收靈敏度低至-142.5 dBm;發(fā)送功率最大為20 dBm，射頻端口優(yōu)化至50 Ω;串口UART操作，無(wú)需對(duì)SX1301進(jìn)行編程控制;所有射頻參數(shù)可配置，AT指令操作，簡(jiǎn)單方便。

2.3 智能用電節(jié)點(diǎn)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

步驟1：準(zhǔn)備程序。先確定電表是否上電，也就是電表是否被安裝。在確定已上電的情況下，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，將電表出廠時(shí)自帶數(shù)據(jù)去除，測(cè)試系統(tǒng)，看系統(tǒng)是否正常工作，如果系統(tǒng)正常則繼續(xù)進(jìn)行。

步驟2：先掃描電表按鍵是否被按下，確定被按下再確定按下的是哪個(gè)鍵，然后調(diào)用該鍵對(duì)應(yīng)的子程序。接著進(jìn)行命令狀態(tài)查詢，收到命令后進(jìn)行系統(tǒng)程序控制。

這就是智能電表的基本程序框架。

由于通信模塊TCM8000本身已經(jīng)實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議，本文的工作主要是使用TCP的編程命令對(duì)模塊進(jìn)行初始化和 TCP數(shù)據(jù)收發(fā)，所有的電表操作指令都是通過(guò)串口通信進(jìn)行。WiFi通信模塊的軟件邏輯分為三大模塊：初始化模塊、編程命令通信模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)控制模塊。智能用電節(jié)點(diǎn)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

3 智能電表管理功能概述

3.1 電表管理

將所有電表進(jìn)行入庫(kù)操作，入庫(kù)后電表可以和電表使用者進(jìn)行綁定，使用者可以在微信公眾號(hào)中查看電表的所有信息，包含基礎(chǔ)電表編號(hào)、電流、余額、剩余電量等，也可以對(duì)電表進(jìn)行通斷電，以及刷新抄表入住等操作。Web端電表管理如圖4所示。微信端電表管理如圖5所示。

3.2 房源管理

將電表管理與房源管理相關(guān)聯(lián)，批量的電表安裝以房源為單位進(jìn)行管理。房源管理者可以對(duì)房源內(nèi)所有電表進(jìn)行批量操作，也可以對(duì)已經(jīng)安裝了智能用電節(jié)點(diǎn)的房間進(jìn)行入住操作，每一間房間均可以分開(kāi)計(jì)量，分開(kāi)結(jié)算電量。

3.3 自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)通斷

管理后臺(tái)可以監(jiān)測(cè)電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，設(shè)置電流的閾值。對(duì)比多次數(shù)據(jù)采集的結(jié)果，判斷用電量是否異常，是否超過(guò)設(shè)置的閾值。如果系統(tǒng)判斷用電量異常，或者電流異常，有可能會(huì)引發(fā)安全事故發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷電，保證整個(gè)用電系統(tǒng)的安全，同時(shí)初步分析異常的情況并用短信通知管理員。

通過(guò)設(shè)置固定的閾值，電表數(shù)據(jù)異常后，系統(tǒng)會(huì)在臨近閾值的第一時(shí)間發(fā)送短信通知系統(tǒng)管理員，斷電后通知管理員來(lái)查看異常情況。

3.4 報(bào)表管理

系統(tǒng)平臺(tái)能根據(jù)電表的歷史數(shù)據(jù)以及管理記錄等原始數(shù)據(jù)生成報(bào)表系統(tǒng)，并提供下載導(dǎo)出。報(bào)表包含電表管理記錄、異常記錄、電費(fèi)充值記錄等。報(bào)表管理如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

新興技術(shù)的快速發(fā)展，使智能用電節(jié)點(diǎn)設(shè)備和各類通信技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將分散在用戶現(xiàn)場(chǎng)的所有電力數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，整理分析并展示給系統(tǒng)使用者，為使用者提供用電詳情、電費(fèi)報(bào)表、用電記錄等信息，以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸，科學(xué)合理規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了電力實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析預(yù)判、主動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)費(fèi)等功能。優(yōu)化電力使用的同時(shí)，每個(gè)用戶能準(zhǔn)確了解其實(shí)時(shí)用電信息，節(jié)約能源，合理實(shí)施電力節(jié)能計(jì)劃，使得電能消耗降至最低。

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