電表智能讀寫嵌入式終端設計與實現(xiàn)

徐長輝 吳永云 昌云松 晉安

【摘 要】電表的數(shù)據(jù)采集是電力行業(yè)的一項核心工作，隨著人工智能技術的高速發(fā)展，智能電表得到廣泛的應用。文章針對電網(wǎng)用戶開發(fā)一種嵌入式的電表智能讀寫系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動獲取并同步傳輸用戶信息，同時電力部門可通過該系統(tǒng)對用戶的電表進行監(jiān)控與調(diào)控，提升了電力行業(yè)的服務效率和電網(wǎng)部門的工作效率，為電網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展奠定了堅實的基礎。

【關鍵詞】智能電表;嵌入式;智能讀寫;大數(shù)據(jù)

【中圖分類號】TM933.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）01-0038-03

當前，信息技術快速發(fā)展，推動電力行業(yè)也實現(xiàn)快速發(fā)展，這就要求電力行業(yè)的管理逐步向信息化方向發(fā)展，意味著智能電表將大量地進入老百姓的生活當中。對于用電信息記錄而言，傳統(tǒng)的手工方式工作過程煩瑣且效率低下，無法滿足目前的工作需求。因此，必須使用人工智能的方式采集數(shù)據(jù)信息，只有這樣，才能保證數(shù)據(jù)信息的精準性，以及發(fā)揮電力行業(yè)信息化管理的作用。近年來，電力行業(yè)高速發(fā)展，國內(nèi)電網(wǎng)標準逐步與國際電網(wǎng)標準接軌，但是要想使所有的電網(wǎng)企業(yè)使用同一標準，必須在生產(chǎn)標準中達成一致。我國電網(wǎng)的發(fā)展水平與發(fā)達國家相比仍有一定差距，但隨著科技的不斷創(chuàng)新，國內(nèi)電網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展水平將會有大幅度的提升。

1 電網(wǎng)信息采集技術簡述

1.1 傳統(tǒng)手工采集方式

在智能電表問世之前，常用的信息采集方式是傳統(tǒng)手工采集方式，在我國的一些邊遠、落后地區(qū)至今仍使用這種方式，該方式主要是通過電網(wǎng)部門的工作人員上門服務，通過用筆錄的方式進行信息采集，這種方式雖然簡單易行，但是需要花費大量的人力、物力，而且效率較低，在采集過程中容易產(chǎn)生漏抄、錯抄及誤操作的現(xiàn)象，有時甚至對工作人員的人身安全造成一定威脅。智能電表出現(xiàn)后，這種落后的信息采集方式逐漸被淘汰。

1.2 磁卡/IC卡讀寫方式

在智能電表的發(fā)展歷程中，有一種磁卡/IC卡的電表，屬于早期的智能電表，該電表主要是通過磁卡/IC卡的方式進行自動操作和數(shù)據(jù)采集。用戶要先在IC卡中存入金額，電表通過自動識別的方式扣除相應的電費，把信息寫入卡中，如果卡的金額不足以抵扣電費，電表會出現(xiàn)自動斷電的操作，即不向用戶提供電網(wǎng)服務，用戶必須再向IC卡充入足夠的金額后，用電功能才可恢復正常。這種采集方式方便，但是電表的實時信息無法及時傳送到電網(wǎng)部門，造成用電部門無法實時監(jiān)控用電的情況。

1.3 在線讀寫方式

在線讀寫方式主要通過電網(wǎng)專線或載波模式，將用戶電表的數(shù)據(jù)信息實時傳送到電力部門。在線讀寫方式具有成本低、跨度大、實用性強的特點，在電力行業(yè)中具有一定的應用范圍，為無線智能電表的發(fā)展奠定了堅實的基礎。在線讀寫方式在國際上的應用較廣泛，例如丹麥的國電公司已經(jīng)在一些歐洲國家部署了電網(wǎng)自動采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)融入現(xiàn)場總線協(xié)議技術，為智能電表的創(chuàng)新躍上一個新的臺階。但這種方式也有局限性，如果線路出現(xiàn)故障，就會影響數(shù)據(jù)的實時傳輸，并且有時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁堵的現(xiàn)象，容易造成數(shù)據(jù)上傳緩慢或丟失的現(xiàn)象[1]。

2 系統(tǒng)需要分析

針對上述各種采集方式存在的弊端，本文研究了電表智能讀寫的嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要以模塊的方式嵌入在智能電表內(nèi)部，對用電信息進行智能監(jiān)控與管理，該程序可以實現(xiàn)與電網(wǎng)部門的實時連接，實時傳送數(shù)據(jù)，同時電網(wǎng)部門可對電表進行參數(shù)設置、故障修復等操作，實現(xiàn)用電管理的智能化，為用戶提供了方便，提高了電網(wǎng)部門的工作效率[2]。本系統(tǒng)需求分析主要功能包含信息采集需求、用電需求、系統(tǒng)維護需求、數(shù)據(jù)管理需求四大部分。

2.1 信息采集需求

信息采集需求主要是對用戶電表的信息采集，包括用戶信息、用電信息、電表狀態(tài)、故障信息等，分門別類地進行數(shù)據(jù)收集，在采集數(shù)據(jù)的過程中，對采集的數(shù)據(jù)進行檢索和糾錯處理，對收集后的數(shù)據(jù)自動建立信息通道，把數(shù)據(jù)信息傳送到電網(wǎng)部門，電網(wǎng)部門可對數(shù)據(jù)進行存儲和分析，將結果傳入下一步的流程。此外，系統(tǒng)能自動生成報表，供工作人員分析和使用。

2.2 用電需求

用電需求主要是對用戶發(fā)回的數(shù)據(jù)進行用電分析，了解當?shù)赜脩舻挠秒娗闆r，以便對該地區(qū)的配電作業(yè)進行統(tǒng)一的管理，這有助于解決工作人員必須現(xiàn)場測量的問題，可對地區(qū)的數(shù)據(jù)召回檢測與配電巡查進行實時操作，遠程解決配電問題。

2.3 系統(tǒng)維護需求

系統(tǒng)維護需求主要是對智能電表的日常維護，主要包括電表參數(shù)的讀取與寫入、電表故障的檢測、電網(wǎng)線路的診斷等功能，以便電網(wǎng)部門實現(xiàn)更快捷的管理。

2.4 數(shù)據(jù)管理需求

數(shù)據(jù)管理需求主要是電網(wǎng)部門根據(jù)用戶智能電表回傳的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，包括信息傳輸完好率查詢、高壓電網(wǎng)的補招等，以及對用戶的數(shù)據(jù)進行實時存儲，對各類信息進行大數(shù)據(jù)分析，可為分析用戶的用電情況和電網(wǎng)部門的改進措施等提供重要的參考依據(jù)。

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)功能設計

智能電表的嵌入式讀寫系統(tǒng)的功能設計主要根據(jù)需求分析進行規(guī)劃和設計，本系統(tǒng)的功能模塊主要包含信息采集、用電管理、維護模塊、數(shù)據(jù)管理四大主要功能。

（1）信息采集功能模塊設計。智能電表的信息采集工作是電網(wǎng)行業(yè)的核心工作，與傳統(tǒng)電表的數(shù)據(jù)抄送有著本質(zhì)的區(qū)別，是按照一定流程進行的信息采集工作，該功能主要包含用戶管理、用電信息、電表監(jiān)測、故障信息4個功能，這些數(shù)據(jù)信息經(jīng)過自動采集后，可實時發(fā)送到電網(wǎng)部門，電網(wǎng)部門對收集的數(shù)據(jù)信息進行相應的處理。

（2）用電管理功能模塊設計。用電管理模塊是本系統(tǒng)的關鍵模塊，該功能主要是電網(wǎng)部門對當?shù)氐挠脩粲秒娺M行監(jiān)測后的配電操作，主要包括用電監(jiān)測和配電巡查2個小模塊，用電監(jiān)測主要是對用戶的用電情況進行實時監(jiān)測，通過系統(tǒng)后臺的大數(shù)據(jù)可分析用戶的使用狀況，而配電巡查功能主要是對當?shù)赜脩舻挠秒娏窟M行巡查，查看是否有異?，F(xiàn)象，并且根據(jù)所有用戶的總使用量對配電量進行有效控制，滿足當?shù)氐挠秒娦枨蟆?/p>

（3）維護功能模塊設計。維護功能模塊主要包括電表參數(shù)設置、故障檢測、線路檢測功能，該功能主要是方便電網(wǎng)部門的日常維護與管理，可對電表進行遠程的參數(shù)修改與寫入，對電表的故障進行檢測與診斷，同時可根據(jù)各項數(shù)據(jù)信息，在后臺進行大數(shù)據(jù)分析后判斷是否存在線路的老化或損壞等故障現(xiàn)象，如果有損壞的現(xiàn)象，系統(tǒng)則定位到既有的電表地址進行現(xiàn)場處理。

（4）數(shù)據(jù)管理功能模塊設計。數(shù)據(jù)管理功能模塊設計主要包括數(shù)據(jù)傳輸、信息查詢、電網(wǎng)補招（高壓）功能，數(shù)據(jù)傳輸主要包括數(shù)據(jù)的導入與導出操作，信息查詢主要包括各類數(shù)據(jù)信息的檢索與查詢，以及數(shù)據(jù)在傳輸過程中完好率的查詢、高壓電網(wǎng)信息的補招等。數(shù)據(jù)存儲可以分為自動存儲與手動存儲兩種模式，工作人員可根據(jù)具體需要進行選擇。

3.2 傳輸協(xié)議設計

協(xié)議是各種通信設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸時必須遵循的“原則”，本文使用的是施耐德公司的Modbus協(xié)議，并在原有協(xié)議的基礎上進行改進。Modbus協(xié)議具有兼容性好、傳輸速度快及誤碼率低等特點，但支持的接口較少，一般Modbus協(xié)議所使用的接口為RS232標準接口，該接口的控制器可自動實現(xiàn)主-從通信，在網(wǎng)絡上實現(xiàn)“單獨”原則，但在電網(wǎng)線路上，設備通信是雙向的，主設備把消息發(fā)給從設備后，同樣希望從設備回發(fā)到主設備，因此必須對該協(xié)議進行改進[3]。

當主設備發(fā)送消息時，先把消息請求通知從設備所進行的執(zhí)行任務，主要是通過數(shù)據(jù)庫中的附加信息字段中表示，該信息字段中必須注明從設備的識別信息，如果從設備接收到信息，則將產(chǎn)生回應，把回應消息回發(fā)給主設備，這個操作要在一個特定的數(shù)據(jù)段中完成，并要注明主設備的相關信息、出錯信息等，回發(fā)的過程主要通過書寫代碼的方式實現(xiàn)，彌補Modbus協(xié)議的不足。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

在本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設計中，要確保數(shù)據(jù)的安全性，必須對數(shù)據(jù)的存儲進行先加密后存儲的流程操作、本系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為oracle，在加密方式上采用加密算法進行處理，在讀取數(shù)據(jù)時，必須經(jīng)過解密后才能訪問[4]。此外，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫除了具備數(shù)據(jù)的安全性外，還必須具備數(shù)據(jù)的可移植性，數(shù)據(jù)表的結構可以擴容，方便日常的維護。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

通過研究本系統(tǒng)的需求分析與功能模塊設計，總結出電表智能讀寫嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)主要有4個部分，即信息采集功能模塊、用電管理功能模塊、維護模塊功能模塊、數(shù)據(jù)管理功能模塊四大主要功能。系統(tǒng)的實現(xiàn)框架圖如圖1所示。

電表智能讀寫嵌入式系統(tǒng)是基于MVC模式進行設計和開發(fā)的，系統(tǒng)的結構主要有對話層、操作層、數(shù)據(jù)存儲層3個部分。對話層主要是實現(xiàn)人機的對話操作界面，界面主要以網(wǎng)頁的方式實現(xiàn);操作層主要是本系統(tǒng)的各個功能模塊，在本系統(tǒng)主要指的是信息采集、用電管理、維護模塊、數(shù)據(jù)管理這些功能模塊;數(shù)據(jù)存儲層主要是對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行存儲管理。整個系統(tǒng)的運行方式如下：用戶在對話層進行操作，發(fā)送業(yè)務請求，操作層收到該業(yè)務請求后進行處理，處理過程中所有的數(shù)據(jù)都通過加密程序進行數(shù)據(jù)加密，然后保存到后臺數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)存儲與業(yè)務請求的操作的執(zhí)行過程屬于并行執(zhí)行。

5 系統(tǒng)測試

5.1 功能測試

本系統(tǒng)的功能測試主要對四大功能通過輸入特定的例子進行測試，在信息采集功能測試中，通過輸入用戶名可以成功進入系統(tǒng)登錄頁面，通過選擇“用電信息”功能時，可進入用電信息采集界面;對用電管理功能進行測試，當輸入該地區(qū)任何一戶電表號時，系統(tǒng)會顯示該地區(qū)的所有用戶列表，同時顯示各用戶的用電總量等，在配電巡查中則顯示該地區(qū)的配電供應情況，是否滿足當?shù)氐挠秒娦枨?在維護功能模塊測試中，輸入用戶的電表號后，可以顯示該電表的參數(shù)配置信息、狀態(tài)信息、電表工作狀態(tài)及地區(qū)線路狀態(tài)等;在數(shù)據(jù)管理功能測試中，通過新增用戶信息，點擊“保存”后，在后臺數(shù)據(jù)庫中顯示該用戶的記錄，同時通過輸入用戶電表號可查詢該用戶的相關用電信息等。通過上述一系列的測試，系統(tǒng)功能運行正常，達到預期的效果。

5.2 性能測試

系統(tǒng)的性能測試主要是檢測系統(tǒng)的使用效率。性能測試是系統(tǒng)測試的一項核心內(nèi)容，主要包括主、從設備的連接速度、數(shù)據(jù)傳輸速度和系統(tǒng)壓力測試。在連接速度測試中，通過智能電表與電網(wǎng)部門的連接，查看連通需要的時間，通過秒表顯示為2～4 s，符合標準;在性能測試中，主要實現(xiàn)批量數(shù)據(jù)的上傳與下載功能，經(jīng)測試，傳輸所需的時間達到理想的范圍;對系統(tǒng)壓力進行測試，主要是同時對所有用戶進行同一時間的連接與傳輸，查看整個系統(tǒng)的響應狀況，各個用戶的數(shù)據(jù)都能在電網(wǎng)部門后臺中接收[5]。經(jīng)過一系列的系統(tǒng)性能測試，均達到預期的目標。

5.3 可移植性測試

把系統(tǒng)由電腦移植到移動終端運行時，測試使用效果，測試的設備使用“蘋果”系統(tǒng)的手機和“安卓”系統(tǒng)的手機，分別在兩種不同的手機操作系統(tǒng)下安裝本系統(tǒng)，通過手機與電表進行實時連接，然后進行數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過測試，兩種不同操作系統(tǒng)的手機端均能收到相應的數(shù)據(jù)信息，測試結果與電腦的傳輸效果完全一致。

6 結語

在電力行業(yè)中，電表的數(shù)據(jù)采集及管理是一項重要的工作，隨著智能電表的高速發(fā)展，電力行業(yè)逐步進入人工智能的信息化時代，對電力部門而言，不僅提升了工作效率，也提升了服務質(zhì)量。本文通過對電表的嵌入式系統(tǒng)的設計與開發(fā)，實現(xiàn)了電表的智能化管理，在用戶信息的智能讀寫、數(shù)據(jù)的自動傳輸、電表參數(shù)遠程設置、用電及配電的遠程管理等方面都發(fā)揮著重要作用。該系統(tǒng)的設計與開發(fā)提高了電力部門的工作效率，節(jié)省了人力、物力，但系統(tǒng)仍存在不足，在今后需要不斷地改進和完善。

參 考 文 獻

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[4]翟峰，楊挺，曹永峰，等.基于區(qū)塊鏈與K-means算法的智能電表密鑰管理方法[J].電力自動化設備，2020，5（2）：142-146.

[5]何繪宇.智能電表嵌入式軟件性能測試[J].電子測試，2017，7（1）：125-128.