电表智能读写嵌入式终端设计与实现

徐长辉 吴永云 昌云松 晋安

【摘 要】电表的数据采集是电力行业的一项核心工作，随着人工智能技术的高速发展，智能电表得到广泛的应用。文章针对电网用户开发一种嵌入式的电表智能读写系统，该系统可自动获取并同步传输用户信息，同时电力部门可通过该系统对用户的电表进行监控与调控，提升了电力行业的服务效率和电网部门的工作效率，为电网行业的发展奠定了坚实的基础。

【关键词】智能电表;嵌入式;智能读写;大数据

【中图分类号】TM933.4 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）01-0038-03

当前，信息技术快速发展，推动电力行业也实现快速发展，这就要求电力行业的管理逐步向信息化方向发展，意味着智能电表将大量地进入老百姓的生活当中。对于用电信息记录而言，传统的手工方式工作过程烦琐且效率低下，无法满足目前的工作需求。因此，必须使用人工智能的方式采集数据信息，只有这样，才能保证数据信息的精准性，以及发挥电力行业信息化管理的作用。近年来，电力行业高速发展，国内电网标准逐步与国际电网标准接轨，但是要想使所有的电网企业使用同一标准，必须在生产标准中达成一致。我国电网的发展水平与发达国家相比仍有一定差距，但随着科技的不断创新，国内电网行业的发展水平将会有大幅度的提升。

1 电网信息采集技术简述

1.1 传统手工采集方式

在智能电表问世之前，常用的信息采集方式是传统手工采集方式，在我国的一些边远、落后地区至今仍使用这种方式，该方式主要是通过电网部门的工作人员上门服务，通过用笔录的方式进行信息采集，这种方式虽然简单易行，但是需要花费大量的人力、物力，而且效率较低，在采集过程中容易产生漏抄、错抄及误操作的现象，有时甚至对工作人员的人身安全造成一定威胁。智能电表出现后，这种落后的信息采集方式逐渐被淘汰。

1.2 磁卡/IC卡读写方式

在智能电表的发展历程中，有一种磁卡/IC卡的电表，属于早期的智能电表，该电表主要是通过磁卡/IC卡的方式进行自动操作和数据采集。用户要先在IC卡中存入金额，电表通过自动识别的方式扣除相应的电费，把信息写入卡中，如果卡的金额不足以抵扣电费，电表会出现自动断电的操作，即不向用户提供电网服务，用户必须再向IC卡充入足够的金额后，用电功能才可恢复正常。这种采集方式方便，但是电表的实时信息无法及时传送到电网部门，造成用电部门无法实时监控用电的情况。

1.3 在线读写方式

在线读写方式主要通过电网专线或载波模式，将用户电表的数据信息实时传送到电力部门。在线读写方式具有成本低、跨度大、实用性强的特点，在电力行业中具有一定的应用范围，为无线智能电表的发展奠定了坚实的基础。在线读写方式在国际上的应用较广泛，例如丹麦的国电公司已经在一些欧洲国家部署了电网自动采集系统，该系统融入现场总线协议技术，为智能电表的创新跃上一个新的台阶。但这种方式也有局限性，如果线路出现故障，就会影响数据的实时传输，并且有时会出现数据拥堵的现象，容易造成数据上传缓慢或丢失的现象[1]。

2 系统需要分析

针对上述各种采集方式存在的弊端，本文研究了电表智能读写的嵌入式系统，该系统主要以模块的方式嵌入在智能电表内部，对用电信息进行智能监控与管理，该程序可以实现与电网部门的实时连接，实时传送数据，同时电网部门可对电表进行参数设置、故障修复等操作，实现用电管理的智能化，为用户提供了方便，提高了电网部门的工作效率[2]。本系统需求分析主要功能包含信息采集需求、用电需求、系统维护需求、数据管理需求四大部分。

2.1 信息采集需求

信息采集需求主要是对用户电表的信息采集，包括用户信息、用电信息、电表状态、故障信息等，分门别类地进行数据收集，在采集数据的过程中，对采集的数据进行检索和纠错处理，对收集后的数据自动建立信息通道，把数据信息传送到电网部门，电网部门可对数据进行存储和分析，将结果传入下一步的流程。此外，系统能自动生成报表，供工作人员分析和使用。

2.2 用电需求

用电需求主要是对用户发回的数据进行用电分析，了解当地用户的用電情况，以便对该地区的配电作业进行统一的管理，这有助于解决工作人员必须现场测量的问题，可对地区的数据召回检测与配电巡查进行实时操作，远程解决配电问题。

2.3 系统维护需求

系统维护需求主要是对智能电表的日常维护，主要包括电表参数的读取与写入、电表故障的检测、电网线路的诊断等功能，以便电网部门实现更快捷的管理。

2.4 数据管理需求

数据管理需求主要是电网部门根据用户智能电表回传的数据进行统一管理，包括信息传输完好率查询、高压电网的补招等，以及对用户的数据进行实时存储，对各类信息进行大数据分析，可为分析用户的用电情况和电网部门的改进措施等提供重要的参考依据。

3 系统设计

3.1 系统功能设计

智能电表的嵌入式读写系统的功能设计主要根据需求分析进行规划和设计，本系统的功能模块主要包含信息采集、用电管理、维护模块、数据管理四大主要功能。

（1）信息采集功能模块设计。智能电表的信息采集工作是电网行业的核心工作，与传统电表的数据抄送有着本质的区别，是按照一定流程进行的信息采集工作，该功能主要包含用户管理、用电信息、电表监测、故障信息4个功能，这些数据信息经过自动采集后，可实时发送到电网部门，电网部门对收集的数据信息进行相应的处理。

（2）用电管理功能模块设计。用电管理模块是本系统的关键模块，该功能主要是电网部门对当地的用户用电进行监测后的配电操作，主要包括用电监测和配电巡查2个小模块，用电监测主要是对用户的用电情况进行实时监测，通过系统后台的大数据可分析用户的使用状况，而配电巡查功能主要是对当地用户的用电量进行巡查，查看是否有异常现象，并且根据所有用户的总使用量对配电量进行有效控制，满足当地的用电需求。

（3）维护功能模块设计。维护功能模块主要包括电表参数设置、故障检测、线路检测功能，该功能主要是方便电网部门的日常维护与管理，可对电表进行远程的参数修改与写入，对电表的故障进行检测与诊断，同时可根据各项数据信息，在后台进行大数据分析后判断是否存在线路的老化或损坏等故障现象，如果有损坏的现象，系統则定位到既有的电表地址进行现场处理。

（4）数据管理功能模块设计。数据管理功能模块设计主要包括数据传输、信息查询、电网补招（高压）功能，数据传输主要包括数据的导入与导出操作，信息查询主要包括各类数据信息的检索与查询，以及数据在传输过程中完好率的查询、高压电网信息的补招等。数据存储可以分为自动存储与手动存储两种模式，工作人员可根据具体需要进行选择。

3.2 传输协议设计

协议是各种通信设备之间进行数据传输时必须遵循的“原则”，本文使用的是施耐德公司的Modbus协议，并在原有协议的基础上进行改进。Modbus协议具有兼容性好、传输速度快及误码率低等特点，但支持的接口较少，一般Modbus协议所使用的接口为RS232标准接口，该接口的控制器可自动实现主-从通信，在网络上实现“单独”原则，但在电网线路上，设备通信是双向的，主设备把消息发给从设备后，同样希望从设备回发到主设备，因此必须对该协议进行改进[3]。

当主设备发送消息时，先把消息请求通知从设备所进行的执行任务，主要是通过数据库中的附加信息字段中表示，该信息字段中必须注明从设备的识别信息，如果从设备接收到信息，则将产生回应，把回应消息回发给主设备，这个操作要在一个特定的数据段中完成，并要注明主设备的相关信息、出错信息等，回发的过程主要通过书写代码的方式实现，弥补Modbus协议的不足。

3.3 系统数据库设计

在本系统的数据库设计中，要确保数据的安全性，必须对数据的存储进行先加密后存储的流程操作、本系统使用的数据库系统为oracle，在加密方式上采用加密算法进行处理，在读取数据时，必须经过解密后才能访问[4]。此外，系统的数据库除了具备数据的安全性外，还必须具备数据的可移植性，数据表的结构可以扩容，方便日常的维护。

4 系统实现

通过研究本系统的需求分析与功能模块设计，总结出电表智能读写嵌入式系统的实现主要有4个部分，即信息采集功能模块、用电管理功能模块、维护模块功能模块、数据管理功能模块四大主要功能。系统的实现框架图如图1所示。

电表智能读写嵌入式系统是基于MVC模式进行设计和开发的，系统的结构主要有对话层、操作层、数据存储层3个部分。对话层主要是实现人机的对话操作界面，界面主要以网页的方式实现;操作层主要是本系统的各个功能模块，在本系统主要指的是信息采集、用电管理、维护模块、数据管理这些功能模块;数据存储层主要是对系统的数据进行存储管理。整个系统的运行方式如下：用户在对话层进行操作，发送业务请求，操作层收到该业务请求后进行处理，处理过程中所有的数据都通过加密程序进行数据加密，然后保存到后台数据库中，数据存储与业务请求的操作的执行过程属于并行执行。

5 系统测试

5.1 功能测试

本系统的功能测试主要对四大功能通过输入特定的例子进行测试，在信息采集功能测试中，通过输入用户名可以成功进入系统登录页面，通过选择“用电信息”功能时，可进入用电信息采集界面;对用电管理功能进行测试，当输入该地区任何一户电表号时，系统会显示该地区的所有用户列表，同时显示各用户的用电总量等，在配电巡查中则显示该地区的配电供应情况，是否满足当地的用电需求;在维护功能模块测试中，输入用户的电表号后，可以显示该电表的参数配置信息、状态信息、电表工作状态及地区线路状态等;在数据管理功能测试中，通过新增用户信息，点击“保存”后，在后台数据库中显示该用户的记录，同时通过输入用户电表号可查询该用户的相关用电信息等。通过上述一系列的测试，系统功能运行正常，达到预期的效果。

5.2 性能测试

系统的性能测试主要是检测系统的使用效率。性能测试是系统测试的一项核心内容，主要包括主、从设备的连接速度、数据传输速度和系统压力测试。在连接速度测试中，通过智能电表与电网部门的连接，查看连通需要的时间，通过秒表显示为2～4 s，符合标准;在性能测试中，主要实现批量数据的上传与下载功能，经测试，传输所需的时间达到理想的范围;对系统压力进行测试，主要是同时对所有用户进行同一时间的连接与传输，查看整个系统的响应状况，各个用户的数据都能在电网部门后台中接收[5]。经过一系列的系统性能测试，均达到预期的目标。

5.3 可移植性测试

把系统由电脑移植到移动终端运行时，测试使用效果，测试的设备使用“苹果”系统的手机和“安卓”系统的手机，分别在两种不同的手机操作系统下安装本系统，通过手机与电表进行实时连接，然后进行数据传输。经过测试，两种不同操作系统的手机端均能收到相应的数据信息，测试结果与电脑的传输效果完全一致。

6 结语

在电力行业中，电表的数据采集及管理是一项重要的工作，随着智能电表的高速发展，电力行业逐步进入人工智能的信息化时代，对电力部门而言，不仅提升了工作效率，也提升了服务质量。本文通过对电表的嵌入式系统的设计与开发，实现了电表的智能化管理，在用户信息的智能读写、数据的自动传输、电表参数远程设置、用电及配电的远程管理等方面都发挥着重要作用。该系统的设计与开发提高了电力部门的工作效率，节省了人力、物力，但系统仍存在不足，在今后需要不断地改进和完善。

参 考 文 献

[1]陈曼君，邓志亮，林靖雯，等.一种电费一体化抄核收智能管理系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2020，9（12）：88-91.

[2]宋国庆.智能电网条件下的智能电表系统的研究与设计实现[D].长春：吉林大学，2019.

[3]梁振琦.基于蓝牙技术的抄表系统在智能电表领域的关键技术研究[D].青岛：青岛科技大学，2018.

[4]翟峰，杨挺，曹永峰，等.基于区块链与K-means算法的智能电表密钥管理方法[J].电力自动化设备，2020，5（2）：142-146.

[5]何绘宇.智能电表嵌入式软件性能测试[J].电子测试，2017，7（1）：125-128.