智能用電節(jié)點監(jiān)測和控制系統(tǒng)分析

智能用電節(jié)點監(jiān)測和控制系統(tǒng)分析 摘要：家用能源浪費一直是我國能源領(lǐng)域的一個痛點，為了達到實時管控電能、預(yù)防用電事故發(fā)生、節(jié)約用電能耗的目的，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能用電節(jié)點監(jiān)測和控制系統(tǒng)，利用計算機技術(shù)、嵌入式技術(shù)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及現(xiàn)代傳感器技術(shù)建立一種物聯(lián)網(wǎng)智能用電管理系統(tǒng)。其中應(yīng)用服務(wù)端采用WiFi協(xié)議與智能網(wǎng)關(guān)通信，智能網(wǎng)關(guān)采用LoRa協(xié)議與子電表通信，使用者在Web端、手機微信端都可以實時查看電表數(shù)據(jù)和控制電表用電。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；LoRa通信技術(shù)；WiFi通信技術(shù)；智能用電；遠程監(jiān)測與控制；電表管理0引言近年來，各個國家相繼開展了智能用電設(shè)備的相關(guān)研究開發(fā)工作，智能用電設(shè)備及技術(shù)快速發(fā)展并得到各個方面的廣泛應(yīng)用，用電管控及節(jié)能控制向智能化方向發(fā)展已成為必然趨勢。隨著現(xiàn)代化的物聯(lián)網(wǎng)新設(shè)備及新技術(shù)的推廣應(yīng)用，大量科研成果已轉(zhuǎn)化并廣泛應(yīng)用到實際生活中，為智能用電節(jié)點研究提供了堅實的技術(shù)支撐和設(shè)備保障。但距離成熟的智能用電發(fā)展目標還有一定差距，主要表現(xiàn)在如下幾方面。（1）電能的使用量越來越多，對電力采集設(shè)備的安全性及穩(wěn)定性要求也越來越高，安全監(jiān)控的難度不斷加大，必須擴大監(jiān)控與分析的范圍，實時掌握電表節(jié)點設(shè)備的詳細參數(shù)信息，及時準確掌握電表數(shù)據(jù)實時動態(tài)。（2）越來越多的無線通信技術(shù)、計算機技術(shù)、嵌入式模板技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及現(xiàn)代傳感器技術(shù)均已成熟，但并沒有有效的整合，未能發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢。綜上所述，本文設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能用電節(jié)點監(jiān)測和控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測智能用電節(jié)點設(shè)備，對電路的暫態(tài)與動態(tài)，以及電壓、電流、負荷、頻率等數(shù)據(jù)的采集進行監(jiān)測，達到實時管控電能、預(yù)防用電事故發(fā)生、節(jié)約用電能耗的目的。1系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)由智能用電集中器設(shè)備、智能用電節(jié)點設(shè)備以及管理平臺構(gòu)成。智能用電集中器設(shè)備作為控制核心，每部智能節(jié)點都可對所在的固定點處電壓和電流的變化進行獨立地實時在線監(jiān)測。利用無線通信技術(shù)將智能節(jié)點、智能用電集中器、遠程服務(wù)器與維護人員共同組成一個有機的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)故障信息與狀態(tài)信息便捷有效地傳遞反饋以及實時操作。2智能用電節(jié)點設(shè)備設(shè)計2.1傳輸通信技術(shù)選擇隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速興起，各種應(yīng)用日益增多，WiFi，ZigBee，Bluetooth，LoRa等無線通信傳輸協(xié)議使得構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時有了豐富的選擇。不同的通信技術(shù)有不同的特點，也各有適合自己的應(yīng)用場景。WiFi是一種無線局域網(wǎng)通信技術(shù)，使用以太網(wǎng)通信協(xié)議，通信距離通常在幾十米。對于小范圍覆蓋、模塊小、可拓展以及信號穩(wěn)定性強的物聯(lián)網(wǎng)場景，WiFi技術(shù)為首選。由于電流的干擾等因素，在需要中長距離以及少量數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)膽?yīng)用場景中，目前能更滿足上述需求的最好的通信技術(shù)是LoRa無線通信技術(shù)。LoRa無線通信技術(shù)可以實現(xiàn)遠距離傳輸，并且同時兼具低功耗、低成本和抗干擾的優(yōu)點。綜上所述，適應(yīng)于智能用電節(jié)點監(jiān)測和控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計需根據(jù)WiFi通信模塊以及LoRa通信模塊來實現(xiàn)。2.2智能用電節(jié)點LoRa模塊設(shè)計LoRa無線傳輸模塊功能原理圖如圖2所示。智能用電節(jié)點的LoRa無線傳輸模塊的搭建通過選擇基帶芯片SX1301來實現(xiàn)。SX1301是基于LoRa調(diào)制的基帶芯片，具有一些關(guān)鍵的技術(shù)特征：高達-142.5dBm的接收靈敏度、49個LoRa"虛擬"通道和ADR技術(shù)。SX1301是目前最成熟穩(wěn)定的LoRa無線傳輸模塊，包含以下特性：工作頻段433MHz/470MHz可選；8通道接收，1通道發(fā)送，收發(fā)全雙工設(shè)計；8通道可接收任意SF7SF12擴頻信號；接收靈敏度低至-142.5dBm；發(fā)送功率最大為20dBm，射頻端口優(yōu)化至50Ω；串口UART操作，無需對SX1301進行編程控制；所有射頻參數(shù)可配置，AT指令操作，簡單方便。2.3智能用電節(jié)點設(shè)備軟件設(shè)計步驟1：準備程序。先確定電表是否上電，也就是電表是否被安裝。在確定已上電的情況下，進行系統(tǒng)的初始化，將電表出廠時自帶數(shù)據(jù)去除，測試系統(tǒng)，看系統(tǒng)是否正常工作，如果系統(tǒng)正常則繼續(xù)進行。步驟2：先掃描電表按鍵是否被按下，確定被按下再確定按下的是哪個鍵，然后調(diào)用該鍵對應(yīng)的子程序。接著進行命令狀態(tài)查詢，收到命令后進行系統(tǒng)程序控制。這就是智能電表的基本程序框架。由于通信模塊TCM8000本身已經(jīng)實現(xiàn)TCP協(xié)議，本文的工作主要是使用TCP的編程命令對模塊進行初始化和TCP數(shù)據(jù)收發(fā)，所有的電表操作指令都是通過串口通信進行。WiFi通信模塊的軟件邏輯分為三大模塊：初始化模塊、編程命令通信模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)控制模塊。3智能電表管理功能概述3.1電表管理將所有電表進行入庫操作，入庫后電表可以和電表使用者進行綁定，使用者可以在微信公眾號中查看電表的所有信息，包含基礎(chǔ)電表編號、電流、余額、剩余電量等，也可以對電表進行通斷電，以及刷新抄表入住等操作。Web端電表管理如圖4所示。3.2房源管理將電表管理與房源管理相關(guān)聯(lián)，批量的電表安裝以房源為單位進行管理。房源管理者可以對房源內(nèi)所有電表進行批量操作，也可以對已經(jīng)安裝了智能用電節(jié)點的房間進行入住操作，每一間房間均可以分開計量，分開結(jié)算電量。3.3自動報警和自動通斷管理后臺可以監(jiān)測電流的實時數(shù)據(jù)，設(shè)置電流的閾值。對比多次數(shù)據(jù)采集的結(jié)果，判斷用電量是否異常，是否超過設(shè)置的閾值。如果系統(tǒng)判斷用電量異常，或者電流異常，有可能會引發(fā)安全事故發(fā)生，系統(tǒng)會自動斷電，保證整個用電系統(tǒng)的安全，同時初步分析異常的情況并用短信通知管理員。通過設(shè)置固定的閾值，電表數(shù)據(jù)異常后，系統(tǒng)會在臨近閾值的第一時間發(fā)送短信通知系統(tǒng)管理員，斷電后通知管理員來查看異常情況。3.4報表管理系統(tǒng)平臺能根據(jù)電表的歷史數(shù)據(jù)以及管理記錄等原始數(shù)據(jù)生成報表系統(tǒng)，并提供下載導(dǎo)出。報表包含電表管理記錄、異常記錄、電費充值記錄等。4結(jié)語新興技術(shù)的快速發(fā)展，使智能用電節(jié)點設(shè)備和各類通信技術(shù)結(jié)合起來，將分散在用戶現(xiàn)場的所有電力數(shù)據(jù)進行收集，整理分析并展示給系統(tǒng)使用者，為使用者提供用電詳情、電費報表、用電記錄等信息，以及實時數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸，科學(xué)合理規(guī)范，實現(xiàn)了電力實時監(jiān)控、分析預(yù)判、主動報警、自動計費等功能。優(yōu)化電力使用的同時，每個用戶能準確了解其實時用電信息，節(jié)約能源，合理實施電力節(jié)能計劃，使得電能消耗降至最低。參考文獻1張方昌，劉曉丹，侯維巖，等.一種基于WiFi的計量抄表系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)J.自動化與儀表，2010，25（6）：18-21.2韓明，費宇航.智能電表系統(tǒng)實現(xiàn)方案及其發(fā)展趨勢J.集成電路應(yīng)用學(xué)報，2010（10）：29-30.3王科，童嶸，甘建平.WiFi通信在智能電表中的應(yīng)用研究J.電測與儀表，2013（9）：64-68.4王豪崗.單相智能電表設(shè)計D.洛陽：河南科技大學(xué)，2015.5趙太飛，陳倫斌，袁麓，等.基于LoRa的智能抄表系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)J.計算機測量與控制，2016，24（9）：298-301.6龔天平.LoRa技術(shù)實現(xiàn)遠距離、低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸J.電子世界，2016（10）：115.7張曉軍，謝輝迪，許劍銳，等.基于STM32的智能充電樁嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計J.電子測量技術(shù)，2017，40（2）：144-148.8蔣萍花，張楠.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)串口通信的設(shè)計與實現(xiàn)J.電子測量技術(shù)，2015，38（6）：139-142.9張珂瑄.遠程抄表在電力營銷中的應(yīng)用J.工程技術(shù)（文摘版），2016（10）：240.10劉衛(wèi)民.電能計量遠程抄表系統(tǒng)分析J.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（12）：122.