基于云技术的用电信息采集监控系统

0 引 言

目前，我国企业和家庭用户只有少量的电表计量计费这些电表的计量数据由供电公司通过远程抄表系统或传统的手工抄表方式进行数据采集，多数情况下每月计量一次。对企业用户而言，一方面这些数据并不掌握在自己手中，另一方面数据量太小不足以指导企业进行节能减排的优化管理

实际上，在绝大多数场合，除了计量计费的电表外，多数配电系统都带有用于计量、分析的智能电表，但并未获得更多关注。一些有实力的企业为获得历史数据用于分析和展示用电情况，专门建设监控系统，对数据进行采集、记录和分析这类系统也存在一定的缺陷 ：每个企业根据自身需求各自建立系统，成本较高 ；数据未联网，监控和管理不方便。由于缺乏有效驱动进行维护，这类系统建设起来后难以发挥作用

本文开发出一套基于云技术的电能信息大数据采集监控平台，将企业或个人用户现有的智能电表接入互联网，时刻向云端上传用电信息，存储用户数据。用户可通过 Web 浏览用电数据及历史信息。这样可避免企业用户各自斥资建立监控系统，同时也可让家庭用户掌握自己的用电情况

1 系统组成

1.1 系统结构

系统由采集端、云端和客户端三部分组成。采集端包含可连接互联网的智能电表，采集用电信息，并将这些信息传递到云端。云端负责接收和存储用户的用电信息，用户可在客户端（PC 或移动终端）访问这些信息。系统框图如图 1 所示

采集端的智能电表由STM32 单片机开发， 通过 4G 或WiFi 模块，可定时从电表读取用电信息，并发送到互联网云端的服务器。服务器接收并存储这些用电信息，用户可通过互联网终端如 PC、手机等访问这些数据

1.2 智能电表

截止目前，智能电表技术已广泛应用于企业及家庭的供配电系统。目前智能电表的国家标准主要为中华人民共和国电力行业标准 DL/T 645—2007《多功能电能表通信协议》，该标准统一和规范了多功能电表与数据终端设备进行数据交换时的物理连接和协议，有利于计量产品质量的提高，对电管理部门改革人工抄表，实现远方信息传输，提高电管理水平起到推动作用 [1]。上述电表主要用于供电公司的远程计量计费，由供电公司统一安装与维护。除了此类电表外，用电单位基于自身的用电信息可视化的需求会自行开发采集监控系统，一般称为 SCADA 系统。为方便地集成监控网络，目前市场上常见的这类电表多采用 ModBus 协议，遵循 GB/T 19582—2008 基于 ModBus 的工业自动化网络规范 [2]。本设计开发了一套有别于上述两种的智能电表，该电表具有接入互联网的功能可将实时采集到的电能信息发送到云端的服务器，用于存储

1.3 服务端和客户端

服务端可采用任何可进行互联网访问的服务器，如租用阿里云、亚马逊云等。其作用是接收并存储采集端发送的用电信息，并响应客户端发送的请求，向用户显示用电信息。服务端的应用开发完成后，客户端只需通过浏览器访问这些数据

2 智能电表的设计

2.1 智能电表的构成

本系统开发了一种能够接入互联网的智能电表软硬件，软件采用 C 语言编写，硬件主要分成电能计量部分、主控部分及互联网接入部分。其中互联网接入部分包含两种备选方案一种是 4G 信号接入，一种是 WiFi 信号接入。两种方案各有优劣：4G 接入只需要处于 4G 网络覆盖的场所，比较适合工厂车间等没有 WiFi 的环境，但通信会产生费用，成本较高WiFi 可免费接入互联网，但需要电表身处于一个 WiFi 环境比较适合家庭使用。本文以 WiFi 信号接入为例介绍本系统

2.2 电能计量部分

电能计量部分有较多成例可供参考 [3-5]， 本系统选用美国 Analog Devices 公司生产的高精度单相电能计量芯片ADE7755。根据官方数据资料设计原理如图 2 所示

2.3 主控部分

主控部分采用单片机来实现，包括连接两个 LED 指示灯复位电路、连接联网模块等功能。因此可选用常见的 51 单片机或STM32 芯片，本设计选择宏晶科技的 STC15W408AS。该单片机可兼容 3.3 V 或 5 V 工作电压，片内包含 8 kB 的FLASH 存储 器、512 B 的 SRAM、 两路 UART 等， 原 理 如图 3 所示。其中 1 和 2 脚分别接红、蓝指示灯，5 脚接复位电路

6 和 8 脚分别接电源和地，13 到 16 脚接联网模块，11 脚接电能计量部分的脉冲信号 CF，9 和 10 脚是编程接口

2.4 互联网接入部分

互联网接入部分有两种方案，WiFi 接入或 4G 接入，本文采用WiFi 接入方案。WiFi 模组选用深圳市安信可科技有限公司开发的基于乐鑫 ESP8266 的模组（超低功耗的 UART- WiFi 模块的模组），可方便地进行二次开发，使设备接入云端服务，加速产品原型设计。根据安信可官方技术资料，设计原理如图 4 所示。其中 ：2 和 7 脚为电源和地 ；4 和 6 脚分别为复位脚与使能脚，接到STC15W408AS 单片机的P1.1 和P1.0；1 和 8 脚为 UART，接到 STC15W408AS 单片机的13，14 脚

2.5 智能电表的软件

电表软件指的是STC15W408AS 单片机内运行的程序由C 语言编写，包括电能计量程序和联网程序。电能计量程序相对简单，是对 ADE7755 产生的脉冲序列 CF 进行计数，用外部中断程序实现。

联网程序流程如图 5 所示。系统启动后，首先检测ESP8266 是否配网，若未配网则进入配网模式等待用户配网，配网模式下 LED2（红灯）闪烁。配网方案可参考安信可科技的微信配网例程。若 ESP8266 已配网，开始进入数据发送模式。进入数据发送模式之后系统每个整点将本机ID、能耗情况、时间戳组合成一个信息帧，以 HttpRequest 的形式发送至服务端。若发送不成功，间隔 3 s 重试，最多重试 3 次，仍不成功则进入配网模式。

3 云端系统的设计

云端系统可建立在阿里云、亚马逊 AWS 等公有云上，也可建立在私有云上。云端系统包含一个 HTTP 服务器和数据库服务器。本文采用 Apache 服务器提供 HTTP 服务，用MySQL 提供数据库服务，采用 PHP 语言开发。云端系统提供了用户管理功能、电能信息查询展示功能、报表导出功能等。客户用浏览器浏览数据时的界面如图 6 和图 7 所示。

4 结 语

本文设计了一套基于云技术的电能信息采集监控平台，包括一款智能电表的开发和云端网站的设计。智能电表将用户的用电信息传送至云端存储，用户可通过浏览器查询自己的用电信息或导出报表，以满足企业或个人用电信息可视化的需求。

此外，用户的用电信息数据量达到一定程度后，可形成大数据以便进行深层次的商业开发。