智能用电节点监测和控制系统分析

智能用电节点监测和控制系统分析 摘要：家用能源浪费一直是我国能源领域的一个痛点，为了达到实时管控电能、预防用电事故发生、节约用电能耗的目的，提出一种基于物联网的智能用电节点监测和控制系统，利用计算机技术、嵌入式技术、通信协议、数据处理技术以及现代传感器技术建立一种物联网智能用电管理系统。其中应用服务端采用WiFi协议与智能网关通信，智能网关采用LoRa协议与子电表通信，使用者在Web端、手机微信端都可以实时查看电表数据和控制电表用电。关键词：物联网；LoRa通信技术；WiFi通信技术；智能用电；远程监测与控制；电表管理0引言近年来，各个国家相继开展了智能用电设备的相关研究开发工作，智能用电设备及技术快速发展并得到各个方面的广泛应用，用电管控及节能控制向智能化方向发展已成为必然趋势。随着现代化的物联网新设备及新技术的推广应用，大量科研成果已转化并广泛应用到实际生活中，为智能用电节点研究提供了坚实的技术支撑和设备保障。但距离成熟的智能用电发展目标还有一定差距，主要表现在如下几方面。（1）电能的使用量越来越多，对电力采集设备的安全性及稳定性要求也越来越高，安全监控的难度不断加大，必须扩大监控与分析的范围，实时掌握电表节点设备的详细参数信息，及时准确掌握电表数据实时动态。（2）越来越多的无线通信技术、计算机技术、嵌入式模板技术、数据处理技术以及现代传感器技术均已成熟，但并没有有效的整合，未能发挥物联网的优势。综上所述，本文设计一种基于物联网的智能用电节点监测和控制系统，实时监测智能用电节点设备，对电路的暂态与动态，以及电压、电流、负荷、频率等数据的采集进行监测，达到实时管控电能、预防用电事故发生、节约用电能耗的目的。1系统总体方案设计系统由智能用电集中器设备、智能用电节点设备以及管理平台构成。智能用电集中器设备作为控制核心，每部智能节点都可对所在的固定点处电压和电流的变化进行独立地实时在线监测。利用无线通信技术将智能节点、智能用电集中器、远程服务器与维护人员共同组成一个有机的网络，实现故障信息与状态信息便捷有效地传递反馈以及实时操作。2智能用电节点设备设计2.1传输通信技术选择随着物联网技术的快速兴起，各种应用日益增多，WiFi，ZigBee，Bluetooth，LoRa等无线通信传输协议使得构建物联网系统时有了丰富的选择。不同的通信技术有不同的特点，也各有适合自己的应用场景。WiFi是一种无线局域网通信技术，使用以太网通信协议，通信距离通常在几十米。对于小范围覆盖、模块小、可拓展以及信号稳定性强的物联网场景，WiFi技术为首选。由于电流的干扰等因素，在需要中长距离以及少量数据需要传输的应用场景中，目前能更满足上述需求的最好的通信技术是LoRa无线通信技术。LoRa无线通信技术可以实现远距离传输，并且同时兼具低功耗、低成本和抗干扰的优点。综上所述，适应于智能用电节点监测和控制系统硬件的设计需根据WiFi通信模块以及LoRa通信模块来实现。2.2智能用电节点LoRa模块设计LoRa无线传输模块功能原理图如图2所示。智能用电节点的LoRa无线传输模块的搭建通过选择基带芯片SX1301来实现。SX1301是基于LoRa调制的基带芯片，具有一些关键的技术特征：高达-142.5dBm的接收灵敏度、49个LoRa虚拟;通道和ADR技术。SX1301是目前最成熟稳定的LoRa无线传输模块，包含以下特性：工作频段433MHz/470MHz可选；8通道接收，1通道发送，收发全双工设计；8通道可接收任意SF7SF12扩频信号；接收灵敏度低至-142.5dBm；发送功率最大为20dBm，射频端口优化至50Ω；串口UART操作，无需对SX1301进行编程控制；所有射频参数可配置，AT指令操作，简单方便。2.3智能用电节点设备软件设计步骤1：准备程序。先确定电表是否上电，也就是电表是否被安装。在确定已上电的情况下，进行系统的初始化，将电表出厂时自带数据去除，测试系统，看系统是否正常工作，如果系统正常则继续进行。步骤2：先扫描电表按键是否被按下，确定被按下再确定按下的是哪个键，然后调用该键对应的子程序。接着进行命令状态查询，收到命令后进行系统程序控制。这就是智能电表的基本程序框架。由于通信模块TCM8000本身已经实现TCP协议，本文的工作主要是使用TCP的编程命令对模块进行初始化和TCP数据收发，所有的电表操作指令都是通过串口通信进行。WiFi通信模块的软件逻辑分为三大模块：初始化模块、编程命令通信模块和数据收发控制模块。3智能电表管理功能概述3.1电表管理将所有电表进行入库操作，入库后电表可以和电表使用者进行绑定，使用者可以在微信公众号中查看电表的所有信息，包含基础电表编号、电流、余额、剩余电量等，也可以对电表进行通断电，以及刷新抄表入住等操作。Web端电表管理如图4所示。3.2房源管理将电表管理与房源管理相关联，批量的电表安装以房源为单位进行管理。房源管理者可以对房源内所有电表进行批量操作，也可以对已经安装了智能用电节点的房间进行入住操作，每一间房间均可以分开计量，分开结算电量。3.3自动报警和自动通断管理后台可以监测电流的实时数据，设置电流的阈值。对比多次数据采集的结果，判断用电量是否异常，是否超过设置的阈值。如果系统判断用电量异常，或者电流异常，有可能会引发安全事故发生，系统会自动断电，保证整个用电系统的安全，同时初步分析异常的情况并用短信通知管理员。通过设置固定的阈值，电表数据异常后，系统会在临近阈值的第一时间发送短信通知系统管理员，断电后通知管理员来查看异常情况。3.4报表管理系统平台能根据电表的历史数据以及管理记录等原始数据生成报表系统，并提供下载导出。报表包含电表管理记录、异常记录、电费充值记录等。4结语新兴技术的快速发展，使智能用电节点设备和各类通信技术结合起来，将分散在用户现场的所有电力数据进行收集，整理分析并展示给系统使用者，为使用者提供用电详情、电费报表、用电记录等信息，以及实时数据的采集、存储、传输，科学合理规范，实现了电力实时监控、分析预判、主动报警、自动计费等功能。优化电力使用的同时，每个用户能准确了解其实时用电信息，节约能源，合理实施电力节能计划，使得电能消耗降至最低。参考文献1张方昌，刘晓丹，侯维岩，等.一种基于WiFi的计量抄表系统的设计和实现J.自动化与仪表，2010，25（6）：18-21.2韩明，费宇航.智能电表系统实现方案及其发展趋势J.集成电路应用学报，2010（10）：29-30.3王科，童嵘，甘建平.WiFi通信在智能电表中的应用研究J.电测与仪表，2013（9）：64-68.4王豪岗.单相智能电表设计D.洛阳：河南科技大学，2015.5赵太飞，陈伦斌，袁麓，等.基于LoRa的智能抄表系统设计与实现J.计算机测量与控制，2016，24（9）：298-301.6龚天平.LoRa技术实现远距离、低功耗无线数据传输J.电子世界，2016（10）：115.7张晓军，谢辉迪，许剑锐，等.基于STM32的智能充电桩嵌入式控制系统设计J.电子测量技术，2017，40（2）：144-148.8蒋萍花，张楠.数据采集系统串口通信的设计与实现J.电子测量技术，2015，38（6）：139-142.9张珂瑄.远程抄表在电力营销中的应用J.工程技术（文摘版），2016（10）：240.10刘卫民.电能计量远程抄表系统分析J.科技创新与应用，2012（12）：122.