基于物联网的多用户智能电表系统

黄相杰，叶茂先

（北京理工大学 珠海学院，广东 珠海 519085）

在平时我们的生活中，原来广泛存在的机械式电能表逐渐被电子式电能表取代。原因归咎于前者的稳定性，精确度，灵敏度，线性动态，功耗，防窃电等部分都远不如后者。而这些产品大都是单纯针对单用户电能的计量所设计的。为了制作出满足智慧城市电网提出的“以服务为导向”的需求趋势，随着互联网络硬件、软件的迅猛发展，数据采集与控制设备在逐步地走向网络化，物联网中的以太网可以满足数据可靠实时的传输，直接连接到家庭中的网线就可以实现系统数据的传输，整个系统分4大功能：

1）多用户电能计量，分数段电费统计；

2）跳闸、复电及扣费；

3）监测偷电；

4）无线GPRS短信通知用户。

1 总体设计

设计指标：1）工作电压：200～240 V；2）被测用户最大工作电流：20 A；（防偷电部分为 80 A）；3）用户电表常数：3 200 imp/kWh，阻值600μΩ（防偷电部分为 800 imp/kWh，阻值 150 μΩ）；4）最小显示电量精度：0.01（kWh）；5）当前功率精度：0.1（W）；6）当月电费精度：0.1（元）；7）内部损耗：10（W）。

图1为单片机STC12C5A60S2的多用户智能电表系统主框架。从MCU部分采集多用户电量信息，断电跳闸保护，RFID卡复电及扣费，把数据信息通过SPI接口实现上传至主MCU，主MCU进行对数据的处理，存贮，处理后的数据可以显示于液晶上，通过按键可以在液晶上察看时间，当前电量，当前功率，当月电费，分时段峰、平、谷电费单价，RFID卡恢复用电成功及扣费提示信息。主MCU的电量、电费通过ENC28J60外围电路连接以太网上传实时信息到上位机供电监控系统。监控偷电电路为多用户电表外部连接，当发现偷电情况时上位机供电监控系统发生数据异常变化，提示偷电情况信息，便于工作人员及时处理。无线GPRS短信平台及时发送短信告知用户停电信息，提前准备，避免不必要的损失。

2 硬件单元模块设计

硬件如图1中可知主要分成3部分。

图1 多用户智能电表系统总体框图Fig.1 Multi-user intelligent electric meter system overall diagram

2.1 主MCU部分

其中主控MCU12C5A60S2负责多用户电量的数据采集处理，采集电路如图2所示，MCU对采集到的每个用户电量数据进行脉冲统计，电能计量表达式：

式中 u（t）、i（t）、p（t）分别是顺势电压、瞬时电流、瞬时功率值，所以测量电能的基本方法是将电压、电流相乘，然后在时间上再累加（即积分）起来。对于大多数电子式电能表，电能计量的原理基本相同，主要包括对电压和电流的实时采样，将采样得到的电压和电流值相乘，计算出有效值、有功功率。

在此用AD7755计量芯片，芯片内部两个ADC对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化。ADE7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口（可以与传感器直接连接），也简化了抗混叠滤波器的设计。电流通道中的PGA进一步简化了传感器接口。电流通道中的HPF滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或者电流失调所造成的有功功率计算上的误差。

有功功率是从瞬时功率信号推导计算出来，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接相乘得到的。为了得到有功功率分量 （即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波就行了。

图2 AD7755电量采集原理模块线路图Fig.2 AD7755 power acquisition principle module circuit diagram

2.2 通信部分

当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10 M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802·3系列标准相类似。MCU数据处理后通过以太网ENC28J60传输到上位机管理系统，如图3所示。

图3 数据通过以太网ENC28J60传输连接图Fig.3 Datathrough Ethernet ENC28J60 transmission connectiondiagram

以太网通讯系统是基于51内核单片机和ENC28J60网络控制芯片的设计，接口电路采用UTP（无屏蔽双绞线）RJ-45封装。51单片机作为整个通讯系统的控制处理器，通过SPI串行数据接口实现和ENC28J60网络芯片的通讯，并控制ENC28J60芯片相关寄存器，将单片机传送过来的数据转换成为基于IEEE802.3网络协议的数据包格式，再通过HR911105A接口最终实现和网络终端的数据通信。

2.3 监测偷电电路设计

监测偷电同样依靠ENC28J60传输数据到上位机管理系统，上位机的数据库通过数据处理比较可以监测到偷电情况。偷电时主要是在电表的外面支路上进行偷电，为此只需要在这个支路上设计出一个用电接口即可。

2.4 短信通知模块

在供电局系统进行线路整改，维修，用电维护等特殊情况时系统可以通过无线GPRS短信平台及时告知用户停电信息，避免不必要的损失，此处我们用sim300三频段的GSM/GPRS模块作为发送平台。

2.5 多用户扩展电路图

多用户电表如图4，P2，P4，P5为各个用户，以此类推扩展更多用户。

3 软件设计

3.1 主MCU部分

主MCU部分包括主程序、按键检测子程序、串口接收处理子程序、串口中断服务程序。

图4 多用户扩展电路Fig.4 Multi-user extended circuit

图5 主MCU程序流程图Fig.5 Main MCU program flow chart

3.2 从MCU流程图

二级主机部分：主程序、GSM短信发送子程序、定时器处理子程序。

图6 从MCU程序流程图Fig.6 From MCU program flow chart

4 测试设备以及测试数据

设备：万用表，各种不同功率的用电器，多用户用电测试实验数据如表1。

表1 不同用户用电情况Tab.1 different user electricity supply

5 结 论

经过设计和试验，基于物联网技术的多功能智慧电表系统不但具有对各多用户进行数据统计，用电管理等功能，而且抄数即快速又准确，彻底解决了人工抄表的所有弊病，大大提高了工作效率，点智慧电网做出合理的设计，具有广泛应用前景。其中的数字电度表测量精度高，性能稳定可靠，不但可以取代老式的齿轮式电度表，还可以实现远程抄表及高效数据管理，是现代供配电管理不可缺少的用户电功率计，相信不久将来成为老式电度表的替代产品。更是在电子式电表的基础上进一步设计的多用户电表系统。

在完成作品的过程中，遇到问题还是比较多的，例如方案确定上，初期经过了多番的理论分析；电路设计上不够细心，经过多次修正后才成功；面对计量电能强电部分时，出现烧坏元件的情况；对以太网数据传输上花的时间比较多，通过了大量的查阅资料；在上位机界面编辑上，专业知识的不够显得比较吃力等。幸好最后在经过努力，把问题都一一解决，完成了本次设计。

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