应用物联网的电能信息采集终端研究与设计

黄国政，邓瑞麒，王海柱，易晋，梁社潮

(1. 广东电网有限责任公司 江门供电局， 广东 江门 529000;2. 广东电网有限责任公司 电力调度控制中心， 广东 广州 510600)

0 引言

近年来，电力事业发展迅速，电力管理逐渐向规范化、市场化发展，各个电力市场逐步建立，电能信息越来越多，对电网的运营和管理提出了更高的要求。目前电能信息采集方法多依靠人工抄表的方式，这种采集方法工作人员多、效率低，并且电能信息采集时间较长，常出现数据丢失的现象，难以满足电能信息采集需求。为此设计一种面向物联网应用的电能信息采集终端，物联网是指将全部物体利用射频鉴别等信息传感设施和网络衔接起来，可做到智能化判断和监管。物联网技术已经广泛应用到计算机、互联网和移动通信网等领域中，物联网终端是物联网底层的设别，主要工作是数据采集、数据处理转化和传输信息等作用，是物联网中的关键设备。因此将物联网应用在电能信息采集终端设计中，设置电能信息转换与采集，才能够将各种电能相关信息汇集与处理。转变传统人工抄表，手工录入的现状，将电能信息采集的各个流程结合在一起，一步到位，提高电能信息采集工作效率，对供电企业影响工作具有十分重要的意义。

1 电能信息采集终端硬件设计

此次研究的电能信息采集终端以微处理器[1]为设计核心，通过微处理器进行逻辑计算、逻辑控制。硬件框架，如图1所示。

考虑到电能信息采集硬件的灵活性以及易维护性，将终端的硬件电路与其他模块分开设计。

1.1 微处理器设计

因为电能信息采集终端涉及到的运行任务较多，主要包括数据采集[2]、处理、存储和管理，所以微处理器采用STM32L152系列，该存储器存储空间大，范围为8 K-80Kbytes，与STM32F103系列完全兼容，系统升级简单。并包含5种运行模式，动态运行模式、低功耗运行模式、睡眠模式、停机模式和待机模式，在微处理器动态运行过程中，消耗的功耗较高，在待机模式下功耗消耗较低，在微处理器运行状态过程中可随意切换，并包含2-4个串口模块、4个定时器和硬件乘法器等，采用非标准接口、哈弗架构和32位精简指令集兼容16位THUMB指令集。

图1 电能信息采集终端硬件结构

1.2 电源电路设计

整个电能信息采集终端需要将交流电转化为DC15 V、DC5 V、DC3.3 V的电源[3]，采用开关稳压电源方案和线性稳压电源方法结合的方式。开关稳压电源方案采用中电化星电子技术有限公司生产的电力仪表设计的开关电源，在DC80～650 V或AC65～460 V超宽输入电压下工作，输出电压为12 V和15 V。线性稳压电源方案采用A6115芯片，分别输出5 V、3.3 V电压。在电源断电时，其中的两个节点进行放电，终端还能够继续工作，能够保证电能数据中的重要数据的处理与保存。

1.3 计量芯片设计

采用ATT7022三相电能专用计量芯片，该芯片适用于三相四线和三相三线的应用，其中集成七路ADC，其中三路用于三相电流采样[4]，三路用于三相电压采样，采用采样防窃电参数或零线电流，并集成参考电压、功率因数以及所有功率，并且各相电压电流有效值、相角和功率因数等，以满足电能信息采集终端的研制要求。该芯片支持全时数字域的增益，即具有软件校准功能，从而进行计量误差校正，其中脉冲输出的CF3提供有功功率信息，用于校正基波误差，并提供SPI串行接口，方便与电能信息采集终端中其他外部处理器之间的计量数据和校准参数的传递。

在此基础上，设计计量芯片[5]中的计量电路，其中主要包括衰减网络和滤波网络两部分，负荷电压与电流信号的衰减工作由衰减网络负责，由电压互感器、电流互感器组成。滤波网络主要时间抗混叠滤波，由电容、电感和电阻等器件组成。由于这两种网络组合，会出现混叠[6]现象，这种现象是采样中的特有现象，会影响测量精度和结果，所以在负荷电压信号和电流信号衰减后，对滤波处理。

1.4 GPRS通信模块设计

该模块的设计是保证电能信息采集终端数据传输的实时性，该模块通过TCP/IP通信，可以根据用户不同的需要，进行固定地址与动态IP地址切换。在电能信息采集终端进行通信时，监控中心设置固定的IP地址，然后采集终端可直接向远程监控中心发起建立连接，实现数据传输，保证采集终端的运行稳定性。其网络拓扑结构，如图2所示。

图2 固定IP网络拓扑

由图2可知，电能信息采集终端可自动拨号登录GPRS网络[7]，获取移动地址后，与接入互联网的远程监控中心建立连接，从而实现终端与监控中心的数据传输。该GPRS通信模块的通讯工作模式主要有3种。

被动激活方式。在终端[8]开启后，终端等待监控中心的激活信息，激活后连接主站；

时段在线模块。终端根据监控中心设置的允许在线时段主动连接网站；

永久在线模式。终端开启后，通过存储在终端的主要IP地址和电能信息采集终端连接，并通过一定的间隔时间发送相应信息[9]，保持与监控中心之间的链路信息，若发生掉线[10]情况，GPRS自动连接监控中心。

2 电能信息采集终端软件设计

电能信息采集终端软件设计的主要目的是防止电能信息采集终端的数据发生丢失现象[11]。数字脉冲信号的方式与模拟信号采集方式不同，数字脉冲信号的采集通过终端方式计数，通过终端获取的值放入到硬件中的备份寄存器中，通过获取寄存器的值获取脉冲信号。其数据采集流程，如图3所示。

图3 数据脉冲信号采集流程

在数据采集过程中，创建相应的应用服务程序，采集函数与备份寄存器[12]的值是相对应存在的。数据采集时根据电能信息采集终端的配置信息和读取的数字脉冲的数值共同确定真实采样值，并将处理后的数据放入到待存储链表中。

由于数字脉冲数据与真实采样值[13]存在不匹配现象，则代表数据存在丢失现象，因此将数字脉冲信号分解成若干信息块，将分解后的数据信息发送到保护节点中，对数据进行加密[14]处理。然后将分解完成的数据块向量进行统一整理，以此与真实采样值匹配[15]，由此获得所有的电能信息采集终端采样值，避免数据丢失现象发生，以此完成电能信息采集终端的软件设计。

3 实验

为验证此设计的信息采集终端的有效性，进行实验，将数据丢失量作为衡量面向物联网应用的电能信息采集终端有效性的衡量指标。将传统采集终端与此次设计的采集终端对比，对比两个终端的数据丢失量。

3.1 实验平台搭建

根据电能信息采集终端的测试需求，测试平台需要的硬件设备，如表1所示。

在Keil MDK4.7.2环境下进行实验，实际的测试平台如图4所示。

3.2 实验内容

由用户向电能信息采集终端发送短消息，用户在实际过程中一般都通过发送短信息发送给数据采集终端，在数据采集终端接收到采集参数后，返回手机终端相应信息。短消息发送内容为set success，共有100个用户向电能信息采集终端发送信息。将100名用户随机分为10组，信息发送内容，如表2所示。

表1 测试平台设备

图4 测试平台

表2 实验信息

3.3 实验结果分析

10组用户发送的信息如表2所示，分别使用两种电能信息采集终端采集信息，对比两种终端的丢失信息量，如表3所示。

表3 丢失信息对比

由表3可知，传统电能信息采集终端的数据丢失量基本为10条以上，而此次设计的采集终端丢失的数据量在5条以下。经过对比可知，传统终端的最多数据丢失量比此次设计终端的数据丢失量多25条。因此通过上述实验能够证明，此次设计的电能信息采集终端比传统采集终端数据丢失情况上，证明了此次设计的终端的有效性。此次设计的电能信息采集终端数据丢失量少的原因是该终端应用的微处理器具有较高的数据处理能力，计量芯片与通信模块又能够为终端提供计量功能与实时通信功能，同时在电能信息采集终端软件设计中，为防止数据丢失，将采集到的信息分为信息流，与真实采样值匹配，从而减少了数据丢失现象的发生。

4 总结

从物联网体系架构出发，通过硬件与软件两个方面设计了电能信息采集终端，并通过实验验证了此次设计的终端的可行性。此次设计的终端抗干扰性强、可靠性好，具有良好的应用前景，可为电能产业带来一定的帮助。综上，此次设计目标基本实现，但是此次设计的电能信息采集终端仍存在一定局限性，在数据采集时，没有充分考虑数据的安全性，电能信息的安全性直接与电力行业相关部门与用户的利益密切相关，因此，在下一步的研究中，重点研究数据存储与传输中的安全性。