基于物聯網的安全用電智能計量設備研發與應用研究

鄭曉斌，鄒澤昌，陳忠士

（福建船政交通職業學院，福建 福州 350007）

隨著社會的不斷發展，人民生活水平的不斷提升，人民的用電量也在不斷增加，要滿足居民的用電需求就需要不斷對電力系統進行加強和創新。物聯網的崛起更是對用電量發起了沖擊，要使許多電腦終端聯系在一起進行龐大的數據收集、處理和分析就少不了電量的增加。因此安全用電也越來越受到關注，物聯網安全用電智能計量設備的研發也迫在眉睫，通過安全用電智能計量設備的研發降低用電安全隱患，主要從物聯網智能電表的設計理念、創新點等出發，保證物聯網用電安全，更好地為用戶提供便利和服務，促進社會經濟化和數字化發展。

1 物聯網的安全用電智能計量設備的優勢

1.1 時代性

物聯網本身就是大數據時代的產物，物聯網的發現與應用改變了生活方式和工作模式，將人們與數據結合在一起，通過數據去分析身邊事物，用更加科學客觀的眼光去看待事物。物聯網的應用增加了電力系統的負擔，使用電規模增大，用電安全性也備受關注。安全用電智能計量設備具有時代性和科技性，不僅具有傳統的電表功能能夠檢測用電量和用電變化，還能對用電質量進行評估，對電路出現的問題進行故障分析，及時發現電路出現的問題并提出解決方案，能夠保證整個過程的用電安全，更大程度上給用戶提供便利和安全，也能促進物聯網的快速發展。

1.2 安全性

安全用電智能計量設備的安全性不言而喻，設備的研發就是將物聯網的安全放在首位，主要是通過對電路的修改達到較高的安全性，物聯網安全用電智能計量設備的電表在線路上是三相線的平衡，在出現任何危險情況的時候都會發出警報或者自動切斷電源，增加了物聯網的用電安全。智能計量設備的研發也減輕電力勞動力的使用，提高了電工的人身安全，有些存在的安全隱患難以被人工發現，就算被發現也可能造成不可估量的損害，擁有智能計量設備就能通過自動化的檢測察覺其中存在的危害，減少人工的使用，達到較高的安全系數。

2 安全用電智能計量設備的研發挑戰

物聯網的概念早在1999年就被提出，直到2009年才被世人所熟知和廣泛應用，是互聯網和通信網的相互融合造就了物聯網的產生。隨著物聯網的廣泛使用，用電量的增加給物聯網的安全發展造成了阻礙。在研發用電安全智能計量設備中主要面臨互聯網的建設不完善、缺乏技術的相互融合以及研發難度大這三個方面的問題。

2.1 互聯網的建設不完善

物聯網的基礎和核心是互聯網，互聯網的發展安全與物聯網緊密聯系，物聯網是互聯網基礎上進行延伸和擴展的網絡，兩者相輔相成共同進步。隨著互聯網的快速發展，經歷了有線到無線再到物聯網的現狀，但是在發展過程中能夠發現互聯網的建設不足逐漸暴露，無線覆蓋網絡不全面，對于一些偏遠的山區難以做到全方位覆蓋，這對于物聯網的數據處理就缺少真實客觀的源頭，難以進行全方位的物聯網運行，這對物聯網安全用電智能設備的研發也產生了不良影響。

2.2 缺乏技術的相互融合

用電智能計量設備的研發需要各種技術的相互融合，采用多種技術的優勢有助于設備的研發與推廣。在研發過程中呈現出各種技術獨立運行的情況，沒有實現技術之間的溝通與融合，就難以研發出具有創新性的安全用電智能計量設備，研發過程中也會受到許多阻礙。缺乏技術的相互融合還會降低物聯網用電的速率，會出現跳閘、電路短路等問題，影響物聯網的正常運行，降低物聯網進行數據分析的效率和質量，同時技術之間的相互獨立也不利于物聯網信息交換和分析工作，難以提高物聯網的技術發展。

3 安全用電智能計量設備的研發

智能計量設備主要包含三個部分，主控單元部分、受控單元部分和串口通信模塊部分，這三個部分是智能計量設備的關鍵，對設備的研發和創新主要從這三個方面入手來加強設備對用電量的檢測和控制，也提高物聯網的運行質量和運行速度，更好地為用戶帶來便利。

3.1 主控單元部分的研發

主控單元部分是控制智能計量設備的核心部分，包含了計量模塊、電源模塊、儲存芯片和RTC時鐘以及LCD顯示器等部分，這幾個部分缺一不可，這幾顆部分都采用集成計量和MCU控制的計量芯片實現計算運行，其中ADE7169采用的是SOC單芯片，集成了51核單片機，能夠對多組數據進行計量，給物聯網電力運用提高了計量精度高的計量優勢，能夠及時發現物聯網使用過程中的用電量，對什么時候用電量高，什么時候用電量低進行統計，從而采用有效的方式達到智能節電的效果。主控單元部分的電源管理采用ADC電池電壓測量以及硬件RTC都能夠測量電流、電壓有效值、電網頻率，能夠給用電提供實時的電參數，提供非常準確的電量使用情況。大大提高了物聯網的工作效率，實時檢測物聯網的用電量，并且能夠對用電量采用合理的控制手段。

圖1 低功耗產品ADC精準測量電池電壓

3.2 受控單元部分的研發

受控單位部分的研發深受智能計量設備的工作環境的影響，要根據智能計量設備的使用環境進行選擇開關，有些環境中使用普通的設備開關就能滿足用電需求，而有些環境中會使用固態的開關。普通開關在用電不正常需要切斷電源的原理是依靠活動的金屬觸點來實現切斷電源，普通開關就是一種機械裝置，這種機械裝置的成本低，大多數都會選擇以普通開關作為受控單元部分，但是其缺點是需要大量的時間才能達到切斷電源的效果。另一個固態開關就是根據半導體的導電性來實現間接性的連接，這種連接方式不會產生電弧，因此能夠在較短的時間內實現電源切斷，還能在電路短路的時候快速切斷電源，減少電能的損失，在進行受控單位的研發時就選擇了固態開關的方式，大大地降低了物聯網運行時出現問題的電量消耗，也節約了能源。除了開關之外，受控單元的主控程序設計也是非常重要的一個部分，物聯網的大量耗電使電路負擔過大，需要增加電流保護和超壓以及欠壓的功能，保證在大量使用電量的時候能夠及時發現出現的用電意外，并且能夠在短時間內采取相應的防范措施來解決問題。智能計量設備的運行與電力設備的運行情況緊密相連，由于電氣設備難以在理想的環境中運行，因此就會產生各種難以想象的問題，就需要加入超壓以及欠壓來起到保護電流的功能，給電路的運用保駕護航。物聯網設備在運行過程中難以保證在額定的電壓環境中長久運行，如果低于-15%電壓，就是出現了欠壓的現象，當物聯網工作時出現欠壓的時候為了保護電路安全就應當及時切斷電源。除此之外還有另一種超壓，超壓就是高于+15%時的電壓，此時為了保護電路安全也應當實行切斷電源的方法。受控單位部分增加過流保護就是針對欠壓和超壓做出的措施，當智能計量設備檢測到出現了超壓或者欠壓的情況時就會啟動過流保護，在正常情況下就不會啟動過流保護裝置，使物聯網正常工作。

3.3 串口通信模塊部分的研發

串口通信模板也就是通過智能計量設備內置或云端后臺管理系統中的命令和算法，進行遠程的數據收集和控制，能夠實現遠程控制物聯網的用電量，減少人力物力的運用，串口通信模塊是實現智能計量設備與云端后臺管理系統之間的實時通信功能的一部分。針對串口通信模塊部分通常可以選用WiFi模塊、GPRS模塊、4G模塊等，能夠快速地實現通訊，傳達物聯網使用過程中的數據收集，減少數據的傳遞的延遲性，能夠快速地做出數據分析。其中FPGA是一種專用集成電路，其設計過程中將眾多串口通信模塊聯系在一起，解決了定制電路的不足，FPGA在使用過程中雖然比ASIC電路的速度要慢，但是其功能更加強大，在研發和使用過程之中會利用FPGA的可編程能力將其邏輯板塊進行連接，從而得到合用的芯片，FPGA的內部有豐富的觸發感和I/O引腳，能夠提高系統的集成度和可靠性，保證物聯網用電的安全性和便利性。

4 安全用電智能計量設備的具體應用

物聯網在生活中廣泛應用，無論是生活還是工作都會涉及到物聯網，因此用電量劇增，要控制用電的安全與便利就要加快安全用電智能計量設備的研發與應用，主要可以應用于實時檢測分析、峰谷用電分析、遠程遙控以及智能小區管理，有大數據的地方就存在物聯網的運行，就需要控制用電的安全性與實用性。

4.1 實時監測分析

安全用電智能計量設備能夠實現實時檢測分析，對于用電量、用電時間都能夠起到檢測作用，在使用過程中還能檢測線路的運用狀態。運用到企業中就是能夠檢測整棟樓或者整個公司的電路運行情況，實時檢測是否會出現異常數據，或者電路的運行問題，如果有的話能夠及時報警并且做出切斷電源的行動。

對于個人來說，家庭中的家電逐漸走向智能化，家電的正常運行也會有物聯網的參與，智能化的家庭也會產生龐大的耗電量，家庭中運用智能計量設備也能實現實時監測分析，出現故障的時候及時切斷電源，避免安全事故的發生，造成人身財產的損失。因此，實時監測分析的功能是智能計量設備不可缺少的一部分，也是最重要的一部分，及時將一切安全隱患扼殺在搖籃之中，保護用電安全，充分發揮物聯網的工作質量和作用效率。

4.2 峰谷用電分析

一天的用電量不是均勻分布，會出現用電高峰期和低谷期，不同時期面臨的用電問題不同，智能計量設備能夠觀察對峰谷用電進行分析，從而采取不同的措施給用戶供電，更加合理地安排用電時間，能夠在很大程度上節約能源。安全用電智能計量設備能夠進行豐富用電分析，對科學合理安全用電時間提供真實數據，避免在高峰期產生各種安全隱患，同時也能夠提出節能意見，避免多余電能的浪費，更好為物聯網的運行服務。

5 結語

物聯網的快速發展給生活和工作提供了便利，提高了社會經濟的發展速度，物聯網由于其技術性、包容性和安全性等優勢快速占領了行業。物聯網的廣泛應用也使得電力需求量的增加，用電安全也日益受到關注，這給安全用電智能計量設備的研發提供了機會和技術指導。加強智能計量設備的研發要從主控單元、受控單元以及串口通信這三個設計方面出發，加入現代化的設計理念有創造性地進行研發，使其能夠及時檢測出物聯網運行過程中存在的安全隱患，并且及時采取措施避免安全事故的發生，保證人身財產的安全。此外，用電智能計量設備也廣泛應用于生活和工作之中，起到監控、分析和做出決策的作用，給居民提供了生活便利，充分發揮了物聯網的強大功能，促進社會的和諧穩定發展，為邁向現代化的經濟社會添磚加瓦。