利用GPRS实现对高校各实验室电量的监测

田 颖，武 一

（河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401）

利用GPRS实现对高校各实验室电量的监测

田 颖，武 一

（河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401）

供电系统发展的新方向是以信息化、互动化为特征。通过对各区域用电情况的分析，供电系统可进行自动、合理的供电，从而达到节约资源的目的。基于提高系统运行效率和电能利用率，降低人工成本的目的，本文针对高校实验室搭建了一个电量监测系统。该系统以GPRS为核心通信方式。通过组合数字式户用电表、Open1081、sim900a模块以及云服务来完成，其不仅可以实时监测高校各实验室的电量，而且还可以实现用电管理功能。

电量监测；GPRS；云服务；MySQL；用电管理

随着经济和科技的长足发展，人类的生产和生活中出现了很多依靠电力驱动的电器、设备，如何高效合理利用电能也随之变得越来越重要[1]。未来的供电系统可通过有效调配电能在实现合理用电的基础上为广大电力用户提供优质供电服务、增值服务[2]，电量监测技术是系统配电网侧的关键技术[3-6]。高校实验室不仅用电量可观，而且分散分布，建立一套应用于高校实验室并具有用电管理功能的电量监测系统是较好的选择，有利于提高运行效率、能源利用率和可靠性[7-8]。

1 系统架构

系统架构如图1所示。其中，电能采集终端是整个网络的终端节点[9]，其是在目前普遍使用的数字式电能计量表的基础上，通过增加GPRS通信模块和继电器模块使其具有通信和开关功能；数据收集平台搭建在云服务器端[10]，其上运行着服务器应用程序和数据库存储系统，服务器应用程序主要完成电量数据的接收、计算和存储功能[11]；用电管理功能包括停电管理和电费充值。系统秉承无线抄表系统在系统安装方面方便、快捷的优势[12-13]，不受距离的限制[14]。

2 电量数据的获取和发送

2.1 方案的设计思想及框图

系统采用C/S架构，如图2所示。电能采集终端是客户端，由户用数字式电能计量表、通信部分和开关部分组成。户用数字式电能表拥有电能测量的基本功能，此外还有用户端控制、多种数据传输模式的双向数据通信等智能化功能[15-16]。开关部分接收服务器的供断电指令来实现开关电。

图1 系统架构

图2 获取和发送电量数据的总体方案

2.2 实现原理

2.2.1 硬件设计

电能采集终端在硬件上由 Open1081（由Core1081和其引出的外设组成 ）、sim900a、继电器和户用数字式电能计量表组成，其中，Open1081是控制器。在硬件连接上，户用数字式电能计量表使用uart1；sim900a使用uatr4；继电器的被控制端先于电能计量表接入220 V交流电，控制端接Open1081提供的3.3 V直流电，信号线接Open1081的gpio引脚。

2.2.2 软件设计

从0X0800C000起存放GPRS发送电量数据的程序，程序流程如图3所示，主要包括硬件设备的初始化、获取电量数据、通过GPRS发送电量数据以及接收供断电指令。

1）硬件初始化

初始化sim900a需使用AT指令，包括 AT+ CIPCLOSE=1（关闭TCP连接）、AT+CIPSHUT（关闭移动场景）、AT+CIPMUX=0（设置单路IP连接模式）、AT+CIPQRCLOSE=1（开启加速远端断开连接）、AT+CIPMODE=0（选择TCP/IP的应用模式，设置为非透明传输模式）。

2）获取电量数据

图3 电能采集终端程序流程

控制器Core1081获得uar1接收的数字式电能表的数据，开发主要使用stm32f2xx_usart.c库。首先，新建uart1.c文件，主要包括串口初始化函数、判断串口接收状态函数、写串口函数、读串口函数、中断处理函数。其次，新建getdata.c文件，依据电能采集终端的通信规则编写通信层程序读取其电量数据，包括发送指令的send_command函数和获得数据的get_data函数。

3）发送电量数据

发送的数据有两项：电能采集终端的编号、电量值。

①建立GPRS连接。函数为gprs_connect（），通过“AT+CIPSTART”指令使sim900a开启GPRS网络功能，并通过IP和端口号尝试连接目标网络中的服务器应用程序Server。

②存储数据并发送

发送：通过gprs_send（senddata）函数向串口uart4写入指令“AT+CIPSEND”使sim900a进入发送数据状态，之后向串口写入要发送的数据，最大可以一次发送1 352字节，数据输入完后，按照sim900a的通信规则，输入十六进制的1 A，启动发送过程。

③发送间隔：函数 msleep（）和 sleep（）用于延迟，程序每隔30秒发送一次数据。

3 数据收集平台

3.1 平台架构

平台采用IaaS型服务模式，在运营商提供的以Linux为操作系统的云服务器上搭建，其IP地址为138.128.194.130。在该服务器上运行着服务器应用程序Server和Apache以及MySQL数据库。Server端口号为10222，Apache的端口号为80，MySQL的端口号为3306。Server、Apache中的 PHP文件在Linux中的部署为：Server文件路径为root；PHP文件路径为/user/local/apache2/htdocs/admin，包括 link.php、img、index.html、list.php。

3.2 数据库的设计

建立数据库”Laboratory”并在其中创建数据表“ElecLab”，表中数据项如表1所示。

表1 “ElecLab”中的各数据项

Elec是电能采集终端发送的电量值，一个时间累计量。Elec_mon是Elec与Elec_old的差值。MElec和OMElec的差值是两次传送数据间实验室消耗的电费。此外，在数据库中设计标志数据项switch_flag用于实现用电管理功能。

3.3 服务器应用程序

3.3.1 功能划分

Server用于实现和多个电能采集终端的双向通信、处理电量数据以及更新数据库；Apache用于响应管理人员查询数据的请求，它会将数据在网页中以表格的形式呈现出来。如此设计的目的是为了实现功能分离，减少耦合性。

3.3.2 设计思想和软件实现

1）和多个电能采集终端的双向通信

图4 Server核心功能流程图

该部分运用Unix下C语言编程，程序流程如图4所示。首先运用守护进程技术使Server后台运行，然后运用socket通信技术使Server进入侦听模式。在子线程进行数据处理的同时，主线程将回到accept去处理下一个终端的请求，并开辟新的子线程来处理下一个终端的电量数据。最终，主线程下会有多个子线程service_thread并行运行。

2）处理电能采集终端发送的数据以及更新数据库中的数据

使用Unix下C语言、结构化查询语言SQL和MySQL库函数来完成，程序流程如图5所示。在子线程service_thread中调用updatedatabase函数进行计算并使用update语句更新数据库。Elec_old更新为Elec值和OMElec清0是月末由管理人员人工操作数据库完成。

图5 处理和更新数据的程序结构

3）响应管理人员的请求

利用XAMPP软件包建立PHP+Apache+MySQL开发环境来编写、调试PHP文件。

①编写link.php文件用于连接数据库，主要语句为：

②编写index.html文件作为数据查询登录界面。

③ 编写list.php文件用于调取数据库中数据。首先是判断用户名和密码，然后调取数据库中数据并在网页中显示，运用PHP的echo语句。

4 用电管理

4.1 停电管理

在电能采集终端中使用继电器作为开关。停电管理即Server远程自动向电能采集终端发指令控制继电器开关电。

4.1.1 硬件设计

选用JQC-3F（T73）电磁型继电器，工作电压为3 V。继电器的被控制端先于电表接入220 V交流电，控制端接Open1081提供的3.3 V直流电。

4.1.2 软件实现

服务器应用程序 Server利用TCP/IP型 socket通信。为了不影响 Server接收和处理电量数据，Server将运用多线程技术另外开辟子线程来完成此功能。

1）数据库中新建数据项switch_flag用以标明终端的开关电状态，供电为1，断电为0。

2）子线程不断轮询数据库并分析Expenses值来筛选数据，整个过程如图6所示。

①断电查询条件为：select*from ElecQuantity where Expenses＜=0 and switch_flag=1

②供电查询条件为：select*from ElecQuantity where Expenses＞0 and switch_flag=0

图6 远程自动控制电能采集终端供断电

3）调用send（c[i].fds，msg，strlen（msg），0）向电能采集终端发送使继电器关闭或开启的指令switch_0或switch_1。

4）更改该用户的标志switch_flag数值，使用update语句。

4.2 电费充值

电费充值功能由管理人员利用学校管理处电脑上的缴纳电费软件Recharge完成。管理人员在弹出的充值界面中输入用户名和充值金额，点击“充值”即可实现Expenses值的更新。Recharge基于MFC架构，其程序流程如图7所示。

5 系统运行效果与分析

经实践测试，当Server开启后所有的client可及时连接上服务器并很快进入发送数据状态。Server可同时接收并处理17个终端的数据，如图8所示。当某实验室的电费余额小于等于0或恢复大于0状态时，服务器会及时向该终端发送断电或开电指令。缴费软件运行正常，缴费成功后会弹框提醒“电费充值成功”。

图7 电费充值程序流程图

图8 Server的并发测试

基于GPRS的高校实验室电量监测系统能够有效实时监控分散分布于校园各处实验室的电量，兼具可靠性和节省人工成本的优点。此外，该系统方便管理员在任何时间、地点来查询各个实验室的电量信息，省去到各实验室查看电表的繁琐工作，有助于提高工作效率。

6 结束语

文中设计了一种适用于高校实验室的智能电表监测系统。这个系统不但可以对高校各个实验室的用电情况进行实时监测，而且能在准确记录和计算数据的基础上实现用电管理功能。整个系统简洁高效，系统开销小。系统同样适用于偏远地方或针对其它设备进行数据监测，因此系统的应用范围并不拘泥于此，具有可扩展性。

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Monitoring the electric power of laboratories in universities through GPRS

TIAN Ying，WU Yi
（SchoolofElectronicandInformationEngineering，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin 300401，China）

The new development direction of electric power supply system is information and interaction.Through analysising the usage situation of electric power of different regions，electric power supply system can supply electric power automaticly and reasonablely so as to achieving the purpose of saving resources.To improve system efficiency and energy utilization and reduce labor costs，a electric power monitoring system for laboratories of universities is necessary to be established.The system chooses GPRS as main communication mode.Through combinating digital household electric meter，Open1081，sim900a module and cloud services，it can not only real-time monitor electric power of laboratories，but also can realize power management function.

electric power monitoring；GPRS；cloud services；MySQL；electricity management

TN915.5

：A

：1674－6236（2017）05-0107-05

2016-03-05稿件编号：201603056

河北省自然科学基金（E2015202109）

田 颖（1989—），女，山西晋中人，硕士。研究方向：智能控制和智能系统。