電表智能讀寫嵌入式終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐長輝 吳永云 昌云松 晉安

【摘 要】電表的數(shù)據(jù)采集是電力行業(yè)的一項(xiàng)核心工作，隨著人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，智能電表得到廣泛的應(yīng)用。文章針對電網(wǎng)用戶開發(fā)一種嵌入式的電表智能讀寫系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動(dòng)獲取并同步傳輸用戶信息，同時(shí)電力部門可通過該系統(tǒng)對用戶的電表進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)控，提升了電力行業(yè)的服務(wù)效率和電網(wǎng)部門的工作效率，為電網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】智能電表;嵌入式;智能讀寫;大數(shù)據(jù)

【中圖分類號(hào)】TM933.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）01-0038-03

當(dāng)前，信息技術(shù)快速發(fā)展，推動(dòng)電力行業(yè)也實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，這就要求電力行業(yè)的管理逐步向信息化方向發(fā)展，意味著智能電表將大量地進(jìn)入老百姓的生活當(dāng)中。對于用電信息記錄而言，傳統(tǒng)的手工方式工作過程煩瑣且效率低下，無法滿足目前的工作需求。因此，必須使用人工智能的方式采集數(shù)據(jù)信息，只有這樣，才能保證數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)性，以及發(fā)揮電力行業(yè)信息化管理的作用。近年來，電力行業(yè)高速發(fā)展，國內(nèi)電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)逐步與國際電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)接軌，但是要想使所有的電網(wǎng)企業(yè)使用同一標(biāo)準(zhǔn)，必須在生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)中達(dá)成一致。我國電網(wǎng)的發(fā)展水平與發(fā)達(dá)國家相比仍有一定差距，但隨著科技的不斷創(chuàng)新，國內(nèi)電網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展水平將會(huì)有大幅度的提升。

1 電網(wǎng)信息采集技術(shù)簡述

1.1 傳統(tǒng)手工采集方式

在智能電表問世之前，常用的信息采集方式是傳統(tǒng)手工采集方式，在我國的一些邊遠(yuǎn)、落后地區(qū)至今仍使用這種方式，該方式主要是通過電網(wǎng)部門的工作人員上門服務(wù)，通過用筆錄的方式進(jìn)行信息采集，這種方式雖然簡單易行，但是需要花費(fèi)大量的人力、物力，而且效率較低，在采集過程中容易產(chǎn)生漏抄、錯(cuò)抄及誤操作的現(xiàn)象，有時(shí)甚至對工作人員的人身安全造成一定威脅。智能電表出現(xiàn)后，這種落后的信息采集方式逐漸被淘汰。

1.2 磁卡/IC卡讀寫方式

在智能電表的發(fā)展歷程中，有一種磁卡/IC卡的電表，屬于早期的智能電表，該電表主要是通過磁卡/IC卡的方式進(jìn)行自動(dòng)操作和數(shù)據(jù)采集。用戶要先在IC卡中存入金額，電表通過自動(dòng)識(shí)別的方式扣除相應(yīng)的電費(fèi)，把信息寫入卡中，如果卡的金額不足以抵扣電費(fèi)，電表會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)斷電的操作，即不向用戶提供電網(wǎng)服務(wù)，用戶必須再向IC卡充入足夠的金額后，用電功能才可恢復(fù)正常。這種采集方式方便，但是電表的實(shí)時(shí)信息無法及時(shí)傳送到電網(wǎng)部門，造成用電部門無法實(shí)時(shí)監(jiān)控用電的情況。

1.3 在線讀寫方式

在線讀寫方式主要通過電網(wǎng)專線或載波模式，將用戶電表的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳送到電力部門。在線讀寫方式具有成本低、跨度大、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在電力行業(yè)中具有一定的應(yīng)用范圍，為無線智能電表的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在線讀寫方式在國際上的應(yīng)用較廣泛，例如丹麥的國電公司已經(jīng)在一些歐洲國家部署了電網(wǎng)自動(dòng)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)融入現(xiàn)場總線協(xié)議技術(shù)，為智能電表的創(chuàng)新躍上一個(gè)新的臺(tái)階。但這種方式也有局限性，如果線路出現(xiàn)故障，就會(huì)影響數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，并且有時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁堵的現(xiàn)象，容易造成數(shù)據(jù)上傳緩慢或丟失的現(xiàn)象[1]。

2 系統(tǒng)需要分析

針對上述各種采集方式存在的弊端，本文研究了電表智能讀寫的嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要以模塊的方式嵌入在智能電表內(nèi)部，對用電信息進(jìn)行智能監(jiān)控與管理，該程序可以實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)部門的實(shí)時(shí)連接，實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)電網(wǎng)部門可對電表進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、故障修復(fù)等操作，實(shí)現(xiàn)用電管理的智能化，為用戶提供了方便，提高了電網(wǎng)部門的工作效率[2]。本系統(tǒng)需求分析主要功能包含信息采集需求、用電需求、系統(tǒng)維護(hù)需求、數(shù)據(jù)管理需求四大部分。

2.1 信息采集需求

信息采集需求主要是對用戶電表的信息采集，包括用戶信息、用電信息、電表狀態(tài)、故障信息等，分門別類地進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，在采集數(shù)據(jù)的過程中，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索和糾錯(cuò)處理，對收集后的數(shù)據(jù)自動(dòng)建立信息通道，把數(shù)據(jù)信息傳送到電網(wǎng)部門，電網(wǎng)部門可對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，將結(jié)果傳入下一步的流程。此外，系統(tǒng)能自動(dòng)生成報(bào)表，供工作人員分析和使用。

2.2 用電需求

用電需求主要是對用戶發(fā)回的數(shù)據(jù)進(jìn)行用電分析，了解當(dāng)?shù)赜脩舻挠秒娗闆r，以便對該地區(qū)的配電作業(yè)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，這有助于解決工作人員必須現(xiàn)場測量的問題，可對地區(qū)的數(shù)據(jù)召回檢測與配電巡查進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，遠(yuǎn)程解決配電問題。

2.3 系統(tǒng)維護(hù)需求

系統(tǒng)維護(hù)需求主要是對智能電表的日常維護(hù)，主要包括電表參數(shù)的讀取與寫入、電表故障的檢測、電網(wǎng)線路的診斷等功能，以便電網(wǎng)部門實(shí)現(xiàn)更快捷的管理。

2.4 數(shù)據(jù)管理需求

數(shù)據(jù)管理需求主要是電網(wǎng)部門根據(jù)用戶智能電表回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括信息傳輸完好率查詢、高壓電網(wǎng)的補(bǔ)招等，以及對用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，對各類信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，可為分析用戶的用電情況和電網(wǎng)部門的改進(jìn)措施等提供重要的參考依據(jù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

智能電表的嵌入式讀寫系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)主要根據(jù)需求分析進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的功能模塊主要包含信息采集、用電管理、維護(hù)模塊、數(shù)據(jù)管理四大主要功能。

（1）信息采集功能模塊設(shè)計(jì)。智能電表的信息采集工作是電網(wǎng)行業(yè)的核心工作，與傳統(tǒng)電表的數(shù)據(jù)抄送有著本質(zhì)的區(qū)別，是按照一定流程進(jìn)行的信息采集工作，該功能主要包含用戶管理、用電信息、電表監(jiān)測、故障信息4個(gè)功能，這些數(shù)據(jù)信息經(jīng)過自動(dòng)采集后，可實(shí)時(shí)發(fā)送到電網(wǎng)部門，電網(wǎng)部門對收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)的處理。

（2）用電管理功能模塊設(shè)計(jì)。用電管理模塊是本系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，該功能主要是電網(wǎng)部門對當(dāng)?shù)氐挠脩粲秒娺M(jìn)行監(jiān)測后的配電操作，主要包括用電監(jiān)測和配電巡查2個(gè)小模塊，用電監(jiān)測主要是對用戶的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過系統(tǒng)后臺(tái)的大數(shù)據(jù)可分析用戶的使用狀況，而配電巡查功能主要是對當(dāng)?shù)赜脩舻挠秒娏窟M(jìn)行巡查，查看是否有異常現(xiàn)象，并且根據(jù)所有用戶的總使用量對配電量進(jìn)行有效控制，滿足當(dāng)?shù)氐挠秒娦枨蟆?/p>

（3）維護(hù)功能模塊設(shè)計(jì)。維護(hù)功能模塊主要包括電表參數(shù)設(shè)置、故障檢測、線路檢測功能，該功能主要是方便電網(wǎng)部門的日常維護(hù)與管理，可對電表進(jìn)行遠(yuǎn)程的參數(shù)修改與寫入，對電表的故障進(jìn)行檢測與診斷，同時(shí)可根據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，在后臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析后判斷是否存在線路的老化或損壞等故障現(xiàn)象，如果有損壞的現(xiàn)象，系統(tǒng)則定位到既有的電表地址進(jìn)行現(xiàn)場處理。

（4）數(shù)據(jù)管理功能模塊設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)管理功能模塊設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)傳輸、信息查詢、電網(wǎng)補(bǔ)招（高壓）功能，數(shù)據(jù)傳輸主要包括數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與導(dǎo)出操作，信息查詢主要包括各類數(shù)據(jù)信息的檢索與查詢，以及數(shù)據(jù)在傳輸過程中完好率的查詢、高壓電網(wǎng)信息的補(bǔ)招等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以分為自動(dòng)存儲(chǔ)與手動(dòng)存儲(chǔ)兩種模式，工作人員可根據(jù)具體需要進(jìn)行選擇。

3.2 傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

協(xié)議是各種通信設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)必須遵循的“原則”，本文使用的是施耐德公司的Modbus協(xié)議，并在原有協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。Modbus協(xié)議具有兼容性好、傳輸速度快及誤碼率低等特點(diǎn)，但支持的接口較少，一般Modbus協(xié)議所使用的接口為RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，該接口的控制器可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)主-從通信，在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)“單獨(dú)”原則，但在電網(wǎng)線路上，設(shè)備通信是雙向的，主設(shè)備把消息發(fā)給從設(shè)備后，同樣希望從設(shè)備回發(fā)到主設(shè)備，因此必須對該協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)[3]。

當(dāng)主設(shè)備發(fā)送消息時(shí)，先把消息請求通知從設(shè)備所進(jìn)行的執(zhí)行任務(wù)，主要是通過數(shù)據(jù)庫中的附加信息字段中表示，該信息字段中必須注明從設(shè)備的識(shí)別信息，如果從設(shè)備接收到信息，則將產(chǎn)生回應(yīng)，把回應(yīng)消息回發(fā)給主設(shè)備，這個(gè)操作要在一個(gè)特定的數(shù)據(jù)段中完成，并要注明主設(shè)備的相關(guān)信息、出錯(cuò)信息等，回發(fā)的過程主要通過書寫代碼的方式實(shí)現(xiàn)，彌補(bǔ)Modbus協(xié)議的不足。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中，要確保數(shù)據(jù)的安全性，必須對數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)進(jìn)行先加密后存儲(chǔ)的流程操作、本系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為oracle，在加密方式上采用加密算法進(jìn)行處理，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，必須經(jīng)過解密后才能訪問[4]。此外，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫除了具備數(shù)據(jù)的安全性外，還必須具備數(shù)據(jù)的可移植性，數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)容，方便日常的維護(hù)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過研究本系統(tǒng)的需求分析與功能模塊設(shè)計(jì)，總結(jié)出電表智能讀寫嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要有4個(gè)部分，即信息采集功能模塊、用電管理功能模塊、維護(hù)模塊功能模塊、數(shù)據(jù)管理功能模塊四大主要功能。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框架圖如圖1所示。

電表智能讀寫嵌入式系統(tǒng)是基于MVC模式進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)的，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有對話層、操作層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層3個(gè)部分。對話層主要是實(shí)現(xiàn)人機(jī)的對話操作界面，界面主要以網(wǎng)頁的方式實(shí)現(xiàn);操作層主要是本系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊，在本系統(tǒng)主要指的是信息采集、用電管理、維護(hù)模塊、數(shù)據(jù)管理這些功能模塊;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要是對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行方式如下：用戶在對話層進(jìn)行操作，發(fā)送業(yè)務(wù)請求，操作層收到該業(yè)務(wù)請求后進(jìn)行處理，處理過程中所有的數(shù)據(jù)都通過加密程序進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，然后保存到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與業(yè)務(wù)請求的操作的執(zhí)行過程屬于并行執(zhí)行。

5 系統(tǒng)測試

5.1 功能測試

本系統(tǒng)的功能測試主要對四大功能通過輸入特定的例子進(jìn)行測試，在信息采集功能測試中，通過輸入用戶名可以成功進(jìn)入系統(tǒng)登錄頁面，通過選擇“用電信息”功能時(shí)，可進(jìn)入用電信息采集界面;對用電管理功能進(jìn)行測試，當(dāng)輸入該地區(qū)任何一戶電表號(hào)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)顯示該地區(qū)的所有用戶列表，同時(shí)顯示各用戶的用電總量等，在配電巡查中則顯示該地區(qū)的配電供應(yīng)情況，是否滿足當(dāng)?shù)氐挠秒娦枨?在維護(hù)功能模塊測試中，輸入用戶的電表號(hào)后，可以顯示該電表的參數(shù)配置信息、狀態(tài)信息、電表工作狀態(tài)及地區(qū)線路狀態(tài)等;在數(shù)據(jù)管理功能測試中，通過新增用戶信息，點(diǎn)擊“保存”后，在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中顯示該用戶的記錄，同時(shí)通過輸入用戶電表號(hào)可查詢該用戶的相關(guān)用電信息等。通過上述一系列的測試，系統(tǒng)功能運(yùn)行正常，達(dá)到預(yù)期的效果。

5.2 性能測試

系統(tǒng)的性能測試主要是檢測系統(tǒng)的使用效率。性能測試是系統(tǒng)測試的一項(xiàng)核心內(nèi)容，主要包括主、從設(shè)備的連接速度、數(shù)據(jù)傳輸速度和系統(tǒng)壓力測試。在連接速度測試中，通過智能電表與電網(wǎng)部門的連接，查看連通需要的時(shí)間，通過秒表顯示為2～4 s，符合標(biāo)準(zhǔn);在性能測試中，主要實(shí)現(xiàn)批量數(shù)據(jù)的上傳與下載功能，經(jīng)測試，傳輸所需的時(shí)間達(dá)到理想的范圍;對系統(tǒng)壓力進(jìn)行測試，主要是同時(shí)對所有用戶進(jìn)行同一時(shí)間的連接與傳輸，查看整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)狀況，各個(gè)用戶的數(shù)據(jù)都能在電網(wǎng)部門后臺(tái)中接收[5]。經(jīng)過一系列的系統(tǒng)性能測試，均達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

5.3 可移植性測試

把系統(tǒng)由電腦移植到移動(dòng)終端運(yùn)行時(shí)，測試使用效果，測試的設(shè)備使用“蘋果”系統(tǒng)的手機(jī)和“安卓”系統(tǒng)的手機(jī)，分別在兩種不同的手機(jī)操作系統(tǒng)下安裝本系統(tǒng)，通過手機(jī)與電表進(jìn)行實(shí)時(shí)連接，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過測試，兩種不同操作系統(tǒng)的手機(jī)端均能收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，測試結(jié)果與電腦的傳輸效果完全一致。

6 結(jié)語

在電力行業(yè)中，電表的數(shù)據(jù)采集及管理是一項(xiàng)重要的工作，隨著智能電表的高速發(fā)展，電力行業(yè)逐步進(jìn)入人工智能的信息化時(shí)代，對電力部門而言，不僅提升了工作效率，也提升了服務(wù)質(zhì)量。本文通過對電表的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了電表的智能化管理，在用戶信息的智能讀寫、數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸、電表參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置、用電及配電的遠(yuǎn)程管理等方面都發(fā)揮著重要作用。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提高了電力部門的工作效率，節(jié)省了人力、物力，但系統(tǒng)仍存在不足，在今后需要不斷地改進(jìn)和完善。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳曼君，鄧志亮，林靖雯，等.一種電費(fèi)一體化抄核收智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2020，9（12）：88-91.

[2]宋國慶.智能電網(wǎng)條件下的智能電表系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D].長春：吉林大學(xué)，2019.

[3]梁振琦.基于藍(lán)牙技術(shù)的抄表系統(tǒng)在智能電表領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2018.

[4]翟峰，楊挺，曹永峰，等.基于區(qū)塊鏈與K-means算法的智能電表密鑰管理方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2020，5（2）：142-146.

[5]何繪宇.智能電表嵌入式軟件性能測試[J].電子測試，2017，7（1）：125-128.