基于云技術(shù)的用電信息采集監(jiān)控系統(tǒng)

0 引 言

目前，我國(guó)企業(yè)和家庭用戶只有少量的電表計(jì)量計(jì)費(fèi)這些電表的計(jì)量數(shù)據(jù)由供電公司通過(guò)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)或傳統(tǒng)的手工抄表方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，多數(shù)情況下每月計(jì)量一次。對(duì)企業(yè)用戶而言，一方面這些數(shù)據(jù)并不掌握在自己手中，另一方面數(shù)據(jù)量太小不足以指導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排的優(yōu)化管理

實(shí)際上，在絕大多數(shù)場(chǎng)合，除了計(jì)量計(jì)費(fèi)的電表外，多數(shù)配電系統(tǒng)都帶有用于計(jì)量、分析的智能電表，但并未獲得更多關(guān)注。一些有實(shí)力的企業(yè)為獲得歷史數(shù)據(jù)用于分析和展示用電情況，專門建設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、記錄和分析這類系統(tǒng)也存在一定的缺陷 ：每個(gè)企業(yè)根據(jù)自身需求各自建立系統(tǒng)，成本較高 ；數(shù)據(jù)未聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)控和管理不方便。由于缺乏有效驅(qū)動(dòng)進(jìn)行維護(hù)，這類系統(tǒng)建設(shè)起來(lái)后難以發(fā)揮作用

本文開(kāi)發(fā)出一套基于云技術(shù)的電能信息大數(shù)據(jù)采集監(jiān)控平臺(tái)，將企業(yè)或個(gè)人用戶現(xiàn)有的智能電表接入互聯(lián)網(wǎng)，時(shí)刻向云端上傳用電信息，存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)。用戶可通過(guò) Web 瀏覽用電數(shù)據(jù)及歷史信息。這樣可避免企業(yè)用戶各自斥資建立監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)也可讓家庭用戶掌握自己的用電情況

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)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(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)用戶的用電信息，用戶可在客戶端（PC 或移動(dòng)終端）訪問(wèn)這些信息。系統(tǒng)框圖如圖 1 所示

采集端的智能電表由STM32 單片機(jī)開(kāi)發(fā)， 通過(guò) 4G 或WiFi 模塊，可定時(shí)從電表讀取用電信息，并發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)云端的服務(wù)器。服務(wù)器接收并存儲(chǔ)這些用電信息，用戶可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)終端如 PC、手機(jī)等訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)

1.2 智能電表

截止目前，智能電表技術(shù)已廣泛應(yīng)用于企業(yè)及家庭的供配電系統(tǒng)。目前智能電表的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)主要為中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 645—2007《多功能電能表通信協(xié)議》，該標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和規(guī)范了多功能電表與數(shù)據(jù)終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)的物理連接和協(xié)議，有利于計(jì)量產(chǎn)品質(zhì)量的提高，對(duì)電管理部門改革人工抄表，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方信息傳輸，提高電管理水平起到推動(dòng)作用 [1]。上述電表主要用于供電公司的遠(yuǎn)程計(jì)量計(jì)費(fèi)，由供電公司統(tǒng)一安裝與維護(hù)。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(huì)自行開(kāi)發(fā)采集監(jiān)控系統(tǒng)，一般稱為 SCADA 系統(tǒng)。為方便地集成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的這類電表多采用 ModBus 協(xié)議，遵循 GB/T 19582—2008 基于 ModBus 的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范 [2]。本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套有別于上述兩種的智能電表，該電表具有接入互聯(lián)網(wǎng)的功能可將實(shí)時(shí)采集到的電能信息發(fā)送到云端的服務(wù)器，用于存儲(chǔ)

1.3 服務(wù)端和客戶端

服務(wù)端可采用任何可進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)的服務(wù)器，如租用阿里云、亞馬遜云等。其作用是接收并存儲(chǔ)采集端發(fā)送的用電信息，并響應(yīng)客戶端發(fā)送的請(qǐng)求，向用戶顯示用電信息。服務(wù)端的應(yīng)用開(kāi)發(fā)完成后，客戶端只需通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)

2 智能電表的設(shè)計(jì)

2.1 智能電表的構(gòu)成

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一種能夠接入互聯(lián)網(wǎng)的智能電表軟硬件，軟件采用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，硬件主要分成電能計(jì)量部分、主控部分及互聯(lián)網(wǎng)接入部分。其中互聯(lián)網(wǎng)接入部分包含兩種備選方案一種是 4G 信號(hào)接入，一種是 WiFi 信號(hào)接入。兩種方案各有優(yōu)劣：4G 接入只需要處于 4G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場(chǎng)所，比較適合工廠車間等沒(méi)有 WiFi 的環(huán)境，但通信會(huì)產(chǎn)生費(fèi)用，成本較高WiFi 可免費(fèi)接入互聯(lián)網(wǎng)，但需要電表身處于一個(gè) WiFi 環(huán)境比較適合家庭使用。本文以 WiFi 信號(hào)接入為例介紹本系統(tǒng)

2.2 電能計(jì)量部分

電能計(jì)量部分有較多成例可供參考 [3-5]， 本系統(tǒng)選用美國(guó) Analog Devices 公司生產(chǎn)的高精度單相電能計(jì)量芯片ADE7755。根據(jù)官方數(shù)據(jù)資料設(shè)計(jì)原理如圖 2 所示

2.3 主控部分

主控部分采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括連接兩個(gè) LED 指示燈復(fù)位電路、連接聯(lián)網(wǎng)模塊等功能。因此可選用常見(jiàn)的 51 單片機(jī)或STM32 芯片，本設(shè)計(jì)選擇宏晶科技的 STC15W408AS。該單片機(jī)可兼容 3.3 V 或 5 V 工作電壓，片內(nèi)包含 8 kB 的FLASH 存儲(chǔ) 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(lán)指示燈，5 腳接復(fù)位電路

6 和 8 腳分別接電源和地，13 到 16 腳接聯(lián)網(wǎng)模塊，11 腳接電能計(jì)量部分的脈沖信號(hào) CF，9 和 10 腳是編程接口

2.4 互聯(lián)網(wǎng)接入部分

互聯(lián)網(wǎng)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(kāi)發(fā)的基于樂(lè)鑫 ESP8266 的模組（超低功耗的 UART- WiFi 模塊的模組），可方便地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使設(shè)備接入云端服務(wù)，加速產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)。根據(jù)安信可官方技術(shù)資料，設(shè)計(jì)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(fù)位腳與使能腳，接到STC15W408AS 單片機(jī)的P1.1 和P1.0；1 和 8 腳為 UART，接到 STC15W408AS 單片機(jī)的13，14 腳

2.5 智能電表的軟件

電表軟件指的是STC15W408AS 單片機(jī)內(nèi)運(yùn)行的程序由C 語(yǔ)言編寫(xiě)，包括電能計(jì)量程序和聯(lián)網(wǎng)程序。電能計(jì)量程序相對(duì)簡(jiǎn)單，是對(duì) ADE7755 產(chǎn)生的脈沖序列 CF 進(jìn)行計(jì)數(shù)，用外部中斷程序?qū)崿F(xiàn)。

聯(lián)網(wǎng)程序流程如圖 5 所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先檢測(cè)ESP8266 是否配網(wǎng)，若未配網(wǎng)則進(jìn)入配網(wǎng)模式等待用戶配網(wǎng)，配網(wǎng)模式下 LED2（紅燈）閃爍。配網(wǎng)方案可參考安信可科技的微信配網(wǎng)例程。若 ESP8266 已配網(wǎng)，開(kāi)始進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送模式。進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送模式之后系統(tǒng)每個(gè)整點(diǎn)將本機(jī)ID、能耗情況、時(shí)間戳組合成一個(gè)信息幀，以 HttpRequest 的形式發(fā)送至服務(wù)端。若發(fā)送不成功，間隔 3 s 重試，最多重試 3 次，仍不成功則進(jìn)入配網(wǎng)模式。

3 云端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

云端系統(tǒng)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(tǒng)包含一個(gè) HTTP 服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。本文采用 Apache 服務(wù)器提供 HTTP 服務(wù)，用MySQL 提供數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，采用 PHP 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。云端系統(tǒng)提供了用戶管理功能、電能信息查詢展示功能、報(bào)表導(dǎo)出功能等。客戶用瀏覽器瀏覽數(shù)據(jù)時(shí)的界面如圖 6 和圖 7 所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于云技術(shù)的電能信息采集監(jiān)控平臺(tái)，包括一款智能電表的開(kāi)發(fā)和云端網(wǎng)站的設(shè)計(jì)。智能電表將用戶的用電信息傳送至云端存儲(chǔ)，用戶可通過(guò)瀏覽器查詢自己的用電信息或?qū)С鰣?bào)表，以滿足企業(yè)或個(gè)人用電信息可視化的需求。

此外，用戶的用電信息數(shù)據(jù)量達(dá)到一定程度后，可形成大數(shù)據(jù)以便進(jìn)行深層次的商業(yè)開(kāi)發(fā)。