基于物联网的安全用电智能计量设备研发与应用研究

郑晓斌，邹泽昌，陈忠士

（福建船政交通职业学院，福建 福州 350007）

随着社会的不断发展，人民生活水平的不断提升，人民的用电量也在不断增加，要满足居民的用电需求就需要不断对电力系统进行加强和创新。物联网的崛起更是对用电量发起了冲击，要使许多电脑终端联系在一起进行庞大的数据收集、处理和分析就少不了电量的增加。因此安全用电也越来越受到关注，物联网安全用电智能计量设备的研发也迫在眉睫，通过安全用电智能计量设备的研发降低用电安全隐患，主要从物联网智能电表的设计理念、创新点等出发，保证物联网用电安全，更好地为用户提供便利和服务，促进社会经济化和数字化发展。

1 物联网的安全用电智能计量设备的优势

1.1 时代性

物联网本身就是大数据时代的产物，物联网的发现与应用改变了生活方式和工作模式，将人们与数据结合在一起，通过数据去分析身边事物，用更加科学客观的眼光去看待事物。物联网的应用增加了电力系统的负担，使用电规模增大，用电安全性也备受关注。安全用电智能计量设备具有时代性和科技性，不仅具有传统的电表功能能够检测用电量和用电变化，还能对用电质量进行评估，对电路出现的问题进行故障分析，及时发现电路出现的问题并提出解决方案，能够保证整个过程的用电安全，更大程度上给用户提供便利和安全，也能促进物联网的快速发展。

1.2 安全性

安全用电智能计量设备的安全性不言而喻，设备的研发就是将物联网的安全放在首位，主要是通过对电路的修改达到较高的安全性，物联网安全用电智能计量设备的电表在线路上是三相线的平衡，在出现任何危险情况的时候都会发出警报或者自动切断电源，增加了物联网的用电安全。智能计量设备的研发也减轻电力劳动力的使用，提高了电工的人身安全，有些存在的安全隐患难以被人工发现，就算被发现也可能造成不可估量的损害，拥有智能计量设备就能通过自动化的检测察觉其中存在的危害，减少人工的使用，达到较高的安全系数。

2 安全用电智能计量设备的研发挑战

物联网的概念早在1999年就被提出，直到2009年才被世人所熟知和广泛应用，是互联网和通信网的相互融合造就了物联网的产生。随着物联网的广泛使用，用电量的增加给物联网的安全发展造成了阻碍。在研发用电安全智能计量设备中主要面临互联网的建设不完善、缺乏技术的相互融合以及研发难度大这三个方面的问题。

2.1 互联网的建设不完善

物联网的基础和核心是互联网，互联网的发展安全与物联网紧密联系，物联网是互联网基础上进行延伸和扩展的网络，两者相辅相成共同进步。随着互联网的快速发展，经历了有线到无线再到物联网的现状，但是在发展过程中能够发现互联网的建设不足逐渐暴露，无线覆盖网络不全面，对于一些偏远的山区难以做到全方位覆盖，这对于物联网的数据处理就缺少真实客观的源头，难以进行全方位的物联网运行，这对物联网安全用电智能设备的研发也产生了不良影响。

2.2 缺乏技术的相互融合

用电智能计量设备的研发需要各种技术的相互融合，采用多种技术的优势有助于设备的研发与推广。在研发过程中呈现出各种技术独立运行的情况，没有实现技术之间的沟通与融合，就难以研发出具有创新性的安全用电智能计量设备，研发过程中也会受到许多阻碍。缺乏技术的相互融合还会降低物联网用电的速率，会出现跳闸、电路短路等问题，影响物联网的正常运行，降低物联网进行数据分析的效率和质量，同时技术之间的相互独立也不利于物联网信息交换和分析工作，难以提高物联网的技术发展。

3 安全用电智能计量设备的研发

智能计量设备主要包含三个部分，主控单元部分、受控单元部分和串口通信模块部分，这三个部分是智能计量设备的关键，对设备的研发和创新主要从这三个方面入手来加强设备对用电量的检测和控制，也提高物联网的运行质量和运行速度，更好地为用户带来便利。

3.1 主控单元部分的研发

主控单元部分是控制智能计量设备的核心部分，包含了计量模块、电源模块、储存芯片和RTC时钟以及LCD显示器等部分，这几个部分缺一不可，这几颗部分都采用集成计量和MCU控制的计量芯片实现计算运行，其中ADE7169采用的是SOC单芯片，集成了51核单片机，能够对多组数据进行计量，给物联网电力运用提高了计量精度高的计量优势，能够及时发现物联网使用过程中的用电量，对什么时候用电量高，什么时候用电量低进行统计，从而采用有效的方式达到智能节电的效果。主控单元部分的电源管理采用ADC电池电压测量以及硬件RTC都能够测量电流、电压有效值、电网频率，能够给用电提供实时的电参数，提供非常准确的电量使用情况。大大提高了物联网的工作效率，实时检测物联网的用电量，并且能够对用电量采用合理的控制手段。

图1 低功耗产品ADC精准测量电池电压

3.2 受控单元部分的研发

受控单位部分的研发深受智能计量设备的工作环境的影响，要根据智能计量设备的使用环境进行选择开关，有些环境中使用普通的设备开关就能满足用电需求，而有些环境中会使用固态的开关。普通开关在用电不正常需要切断电源的原理是依靠活动的金属触点来实现切断电源，普通开关就是一种机械装置，这种机械装置的成本低，大多数都会选择以普通开关作为受控单元部分，但是其缺点是需要大量的时间才能达到切断电源的效果。另一个固态开关就是根据半导体的导电性来实现间接性的连接，这种连接方式不会产生电弧，因此能够在较短的时间内实现电源切断，还能在电路短路的时候快速切断电源，减少电能的损失，在进行受控单位的研发时就选择了固态开关的方式，大大地降低了物联网运行时出现问题的电量消耗，也节约了能源。除了开关之外，受控单元的主控程序设计也是非常重要的一个部分，物联网的大量耗电使电路负担过大，需要增加电流保护和超压以及欠压的功能，保证在大量使用电量的时候能够及时发现出现的用电意外，并且能够在短时间内采取相应的防范措施来解决问题。智能计量设备的运行与电力设备的运行情况紧密相连，由于电气设备难以在理想的环境中运行，因此就会产生各种难以想象的问题，就需要加入超压以及欠压来起到保护电流的功能，给电路的运用保驾护航。物联网设备在运行过程中难以保证在额定的电压环境中长久运行，如果低于-15%电压，就是出现了欠压的现象，当物联网工作时出现欠压的时候为了保护电路安全就应当及时切断电源。除此之外还有另一种超压，超压就是高于+15%时的电压，此时为了保护电路安全也应当实行切断电源的方法。受控单位部分增加过流保护就是针对欠压和超压做出的措施，当智能计量设备检测到出现了超压或者欠压的情况时就会启动过流保护，在正常情况下就不会启动过流保护装置，使物联网正常工作。

3.3 串口通信模块部分的研发

串口通信模板也就是通过智能计量设备内置或云端后台管理系统中的命令和算法，进行远程的数据收集和控制，能够实现远程控制物联网的用电量，减少人力物力的运用，串口通信模块是实现智能计量设备与云端后台管理系统之间的实时通信功能的一部分。针对串口通信模块部分通常可以选用WiFi模块、GPRS模块、4G模块等，能够快速地实现通讯，传达物联网使用过程中的数据收集，减少数据的传递的延迟性，能够快速地做出数据分析。其中FPGA是一种专用集成电路，其设计过程中将众多串口通信模块联系在一起，解决了定制电路的不足，FPGA在使用过程中虽然比ASIC电路的速度要慢，但是其功能更加强大，在研发和使用过程之中会利用FPGA的可编程能力将其逻辑板块进行连接，从而得到合用的芯片，FPGA的内部有丰富的触发感和I/O引脚，能够提高系统的集成度和可靠性，保证物联网用电的安全性和便利性。

4 安全用电智能计量设备的具体应用

物联网在生活中广泛应用，无论是生活还是工作都会涉及到物联网，因此用电量剧增，要控制用电的安全与便利就要加快安全用电智能计量设备的研发与应用，主要可以应用于实时检测分析、峰谷用电分析、远程遥控以及智能小区管理，有大数据的地方就存在物联网的运行，就需要控制用电的安全性与实用性。

4.1 实时监测分析

安全用电智能计量设备能够实现实时检测分析，对于用电量、用电时间都能够起到检测作用，在使用过程中还能检测线路的运用状态。运用到企业中就是能够检测整栋楼或者整个公司的电路运行情况，实时检测是否会出现异常数据，或者电路的运行问题，如果有的话能够及时报警并且做出切断电源的行动。

对于个人来说，家庭中的家电逐渐走向智能化，家电的正常运行也会有物联网的参与，智能化的家庭也会产生庞大的耗电量，家庭中运用智能计量设备也能实现实时监测分析，出现故障的时候及时切断电源，避免安全事故的发生，造成人身财产的损失。因此，实时监测分析的功能是智能计量设备不可缺少的一部分，也是最重要的一部分，及时将一切安全隐患扼杀在摇篮之中，保护用电安全，充分发挥物联网的工作质量和作用效率。

4.2 峰谷用电分析

一天的用电量不是均匀分布，会出现用电高峰期和低谷期，不同时期面临的用电问题不同，智能计量设备能够观察对峰谷用电进行分析，从而采取不同的措施给用户供电，更加合理地安排用电时间，能够在很大程度上节约能源。安全用电智能计量设备能够进行丰富用电分析，对科学合理安全用电时间提供真实数据，避免在高峰期产生各种安全隐患，同时也能够提出节能意见，避免多余电能的浪费，更好为物联网的运行服务。

5 结语

物联网的快速发展给生活和工作提供了便利，提高了社会经济的发展速度，物联网由于其技术性、包容性和安全性等优势快速占领了行业。物联网的广泛应用也使得电力需求量的增加，用电安全也日益受到关注，这给安全用电智能计量设备的研发提供了机会和技术指导。加强智能计量设备的研发要从主控单元、受控单元以及串口通信这三个设计方面出发，加入现代化的设计理念有创造性地进行研发，使其能够及时检测出物联网运行过程中存在的安全隐患，并且及时采取措施避免安全事故的发生，保证人身财产的安全。此外，用电智能计量设备也广泛应用于生活和工作之中，起到监控、分析和做出决策的作用，给居民提供了生活便利，充分发挥了物联网的强大功能，促进社会的和谐稳定发展，为迈向现代化的经济社会添砖加瓦。