基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺的智能多用戶電表系統(tǒng)設(shè)計

周克良+聶叢楠+邢素林

摘 要： 針對傳統(tǒng)“單戶單表”制的單戶電能表功耗高、抄表量增大、管理繁瑣、實時性差等弊端，開發(fā)一種基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺的智能多用戶電表系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以STM32F107為主控制器，采用專用計量芯片ATT7022實現(xiàn)對多用戶的電量信息遠(yuǎn)程采集、數(shù)據(jù)顯示存儲，同時，通過Android SDK進(jìn)行手機(jī)APP軟件開發(fā)，方便用戶實時查詢，從而實現(xiàn)高效智能用電。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實時性好，可移動性強(qiáng)，具有較高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； Android； 智能多用戶電表； STM32F107； ATT7022； APP

中圖分類號： TN915?34； TM933.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）04?0116?03

Abstract： In allusion to the disadvantages such as high power consumption， increase of meter reading quantity， cumbersome management and poor real?time performance of the traditional single user electric meter which uses single family single table system， an intelligent multi?user electric meter system based on Internet of Things （IoT） and Android is developed. With STM32F107 as the main controller， the special measuring chip ATT7022 is used to realize remote collection， data storage and display of power information of multiple users. The mobile phone APP software is developed by using Android SDK to realize user?friendly real?time query and efficient intelligent use of electricity. The test results show that the system has good real?time performance， strong mobility， and high application value.

Keywords： IoT； Android； intelligent multi?user electric meter； STM32F107； ATT7022； APP

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)已逐漸走進(jìn)智能電網(wǎng)的時代，傳統(tǒng)的“單戶單表”制電能表已不符合當(dāng)今社會追求的用電管理智能化、采集自動化、能源節(jié)約化的理念[1]。目前，人們利用手持移動終端遠(yuǎn)程監(jiān)控家居狀況已成為一種迫切需求。用戶可以不受地域限制，只要在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域均可隨時隨地查看和管理電能表，實現(xiàn)信息全方位交互，以達(dá)到智能化、節(jié)能化的目的。

本文設(shè)計的智能多用戶電表，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅可“分戶用電、集中檢測”，有效提高電能計量準(zhǔn)確性，縮小整體體積；還可通過手持端對用電信息實時監(jiān)控，操作簡單。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，本文系統(tǒng)主要由手持客戶端、GPRS無線通信及多用戶電能表三部分組成[2?3]。其中，多用戶電能表部分即為感知層，主要是完成對電能信號實時采集、處理及顯示存儲；GPRS無線通信部分即為網(wǎng)絡(luò)層，主要用于接收數(shù)據(jù)并通過無線網(wǎng)與手機(jī)客戶端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信；手機(jī)客戶端即為應(yīng)用層，主要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)交互，便于電力部門的管理，方便用戶使用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 多用戶電能表設(shè)計

本系統(tǒng)采用模塊化思想，由電源模塊、信號采集處理模塊、MCU控制模塊、通信模塊及顯示、存儲、時鐘、按鍵等外圍模塊組成[4]。該系統(tǒng)采用互感方式將電路中的大電流電壓信號轉(zhuǎn)換成小信號經(jīng)多路選擇開關(guān)切換電壓、電流采樣輸出信號，采用專用計量芯片ATT7022，實現(xiàn)對多用戶電壓電流信號采集，然后以STM32F107為主控制器，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。顯示模塊主要直觀顯示用戶用電信息。RS 485通信模塊實現(xiàn)與數(shù)據(jù)管理中心之間的數(shù)據(jù)傳輸和相關(guān)指令的接收。時鐘模塊為電能表提供時間基準(zhǔn)，為實現(xiàn)多費(fèi)率打下基礎(chǔ)。存儲單元實現(xiàn)電能的永久保存。按鍵模塊用于用戶循環(huán)查詢用電信息。GPRS模塊主要通過信息傳輸，實現(xiàn)用戶通過手持端實時掌握用電信息變化。通斷控制模塊主要是用戶實際使用負(fù)載功率值超過系統(tǒng)設(shè)定的最大值時，電能表能夠控制繼電器自動斷電，持續(xù)15 s后，自動送電。電源模塊由線路上 220 V的交流電首先通過降壓變換，而后經(jīng)過橋式整流，由穩(wěn)壓芯片得到所需要的電壓，同時具備掉電自動切換到備用電池的功能，可以實現(xiàn)不間斷供電，防止數(shù)據(jù)丟失。多用戶電能表設(shè)計框圖如圖1所示。

2.2 GPRS通信模塊

通信芯片采用SIMCom 公司的SIM900A，其屬于雙頻GSM/GPRS模塊，模塊接收速率可達(dá)到85.6 kbit/s。另外，SIM900A內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議，支持多IP連接，用戶可通過擴(kuò)展的 TCP/IP AT命令使用 TCP/IP 通信協(xié)議，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[5]。完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，體積小、性價比高且能夠滿足用戶的多種需求。通信模塊SIM900A通過串口與控制芯片STM32相連，SIM900A管腳TXD，RXD分別與STM32管腳USART_RX，USART_TX相連。endprint

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 多用戶電能表系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于涉及的設(shè)計程序量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟件系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計方案進(jìn)行程序編寫以實現(xiàn)正常、有序運(yùn)行。由主程序和各功能模塊子程序構(gòu)成，功能模塊包括用戶選通子程序、電能計量子程序、顯示模塊子程序、存儲模塊子程序、按鍵模塊子程序、通信模塊子程序[6?7]。

通過對多路信號進(jìn)行控制及選通實現(xiàn)多用戶電能信號的采集，經(jīng)計量芯片接入至控制器系統(tǒng)實現(xiàn)對多用戶電能數(shù)字信號的處理及準(zhǔn)確計量，并控制外圍設(shè)備進(jìn)行信息的集中傳輸顯示和存儲。系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)多用戶用電量的精確計量又可以達(dá)到遠(yuǎn)程自動抄表和用電信息集中管理的目的，從而促進(jìn)智能電網(wǎng)的實現(xiàn)，優(yōu)化用戶用電管理。其主流程圖如圖2所示。

3.2 Android監(jiān)控終端設(shè)計

Google公司推出的Android操作系統(tǒng)是一款基于Linux內(nèi)核的自由及開放源代碼操作平臺，可通過Android專屬的軟件開發(fā)工具包Android SDK進(jìn)行手機(jī)APP軟件開發(fā)[8?9]。Android系統(tǒng)構(gòu)架采用了分層模式的概念，由上至下依次為應(yīng)用程序?qū)?、?yīng)用程序框架層、Android函數(shù)庫及運(yùn)行時、Linux內(nèi)核層，這種結(jié)構(gòu)模式各層之間相互獨(dú)立，減少相互依賴性，降低開發(fā)難度，便于更多開發(fā)。

Android手機(jī)客戶端采用腳本語言完成界面設(shè)計，主要包含登錄界面、功能界面、參數(shù)設(shè)置及控制界面?？蛻舳斯δ苣K分為五部分：用戶信息、用電信息、支付情況、消息公告、附近發(fā)現(xiàn)。后臺管理系統(tǒng)主要功能模塊有四大部分：賬戶管理、數(shù)據(jù)管理、操作管理及數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計。Android客戶端與后臺進(jìn)行交互通信實現(xiàn)[10?11]。

用戶通過手持端能夠直觀地查看當(dāng)前用電量、當(dāng)前電費(fèi)余額、及當(dāng)前電價等信息，針對用電情況，可合理計劃用電，提高節(jié)能意識。系統(tǒng)登錄界面、用電信息界面曲線圖分別如圖3、圖4所示。

4 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)的電能表的弊端，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺的智能多用戶電表系統(tǒng)，不僅能夠采集多用戶的用電參數(shù)，且用戶可通過手持端實現(xiàn)對用電信息的查詢、支付等功能，方便用戶生活。該系統(tǒng)體積小、功能強(qiáng)、可移動性等特點，促進(jìn)資源節(jié)約，推進(jìn)智能化發(fā)展，具有較高的應(yīng)用價值和社會經(jīng)濟(jì)價值。

注：本文通訊作者為聶叢楠。

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