基于物联网Android平台的智能多用户电表系统设计与应用

摘要：针对传统“单户单表”制的单户电能表功耗高、抄表量增大、管理繁琐、实时性差等弊端，开发一种基于物联网Android平台的智能多用户电表系统。该系统是以STM32F10为主控制器，采用专用计量芯片ATT7022实现对多用户的电量信息远程采集、数据显示存储，同时，通过Android SDK进行手机APP软件开发，方便用户实时查询，从而实现高效智能用 电。测试结果表明，该系统实时性好，可移动性强，具有较高的应用价值。
关键词: 物联网；Android；智能多用户电表；STM32F107；ATT7022；APP

0引言

        物联网已逐渐走进智能电网的时代，传统的“单户单表”制电能表已不符合当今社会追求的用电管理智能化、采集自动化、能源节约化的理念。目前，人们利用手持移动终端远程监控家居状况已成为一种迫切需求。用户可以不受地域限制，只要在无线网络覆盖的区域均可随时随地查看和管理电能表，实现信息全方位交互，以达到智能化、节能化的目的。本文设计的智能多用户电表，采用物联网技术，不仅可“分户用电、集中检测”，有效提高电能计量准确性，缩小整体体积；还可通过手持端对用电信息实时监控，操作简单。

1 系统总体方案设计

        依据物联网体系架构，本文系统主要由手持客户端、GPRS无线通信及多用户电能表三部分组成。其中，多用户电能表部分即为感知层，主要是完成对电能信号实时采集、处理及显示存储；GPRS无线通信部分即为网络层，主要用于接收数据并通过无线网与手机客户端进行网络通信；手机客户端即为应用层，主要完成监测数据交互，便于电力部门的管理，方便用户使用。
 
2系统硬件设计
2.1 多用户电能表设计
        本系统采用模块化思想，由电源模块、信号采集处理模块、MCU控制模块、通信模块及显示、存储、时钟、按键等外围模块组成。该系统采用互感方式将电路中的大电流电压信号转换成小信号经多路选择开关切换电压、电流采样输出信号，采用专用计量芯片ATT7022，实现对多用户电压电流信号采集，然后以STM32F107为主控制器，对采样数据进行处理。显示模块主要直观显示用户用电信息。RS485通信模块实现与数据管理中心之间的数据传输和相关指令的接收。时钟模块为电能表提供时间基准，为实现多费率打下基础。存储单元实现电能的永久保存。按键模块用于用户循环查询用电信息。GPRS模块主要通过信息传输，实现用户通过手持端实时掌握用电信息变化。通断控制模块主要是用户实际使用负载功率值超过系统设定的*大值时，电能表能够控制继电器自动断电，持续15s后，自动送电。电源模块由线路上220V的交流电首先通过降压变换，而后经过桥式整流，由稳压芯片得到所需要的电压，同时具备掉电自动切换到备用电池的功能，可以实现不间断供电，防止数据丢失。多用户电能表设计框图如图1所示。

图1 多用户电能表设计框图
2.2 GPRS通信模块
        通信芯片采用SIMCom公司的SIM900A，其属于双频GSM/GPRS模块，模块接收速率可达到85.6kbit/s。另外，SIM900A内嵌TCP/IP协议，支持多IP连接，用户可通过扩展的TCP/IP AT 命令使用 TCP/IP通信协议，方便用户进行数据传输。完全采用SMT封装形式，性能稳定，体积小、性价比高且能够满足用户的多种需求。通信模块SIM900A通过串口与控制芯片STM32相连，SIM900A管脚TXD，RXD分别与STM32管脚USART_RX，USART_TX相连。
 
3系统软件设计
3.1 多用户电能表系统软件设计
         由于涉及的设计程序量大、结构复杂，软件系统采用模块化的设计方案进行程序编写以实现正常、有序运行。由主程序和各功能模块子程序构成，功能模块包括用户选通子程序、电能计量子程序、显示模块子程序、存储模块子程序、按键模块子程序、通信模块子程序。
 
        通过对多路信号进行控制及选通实现多用户电能信号的采集，经计量芯片接入至控制器系统实现对多用户电能数字信号的处理及准确计量，并控制外围设备进行信息的集中传输显示和存储。系统不仅可以实现多用户用电量的精确计量又可以达到远程自动抄表和用电信息集中管理的目的，从而促进智能电网的实现，优化用户用电管理。其主流程图如图2所示。

图2 多用户电能表软件主程序流程图
3.2 Android监控终端设计
        Google公司推出的Android操作系统是一款基于Linux内核的自由及开放源代码操作平台，可通过An-droid专属的软件开发工具包Android SDK进行手机APP 软件开发。Android 系统构架采用了分层模式的概念，由上至下依次为应用程序层、应用程序框架层、Android 函数库及运行时、Linux内核层，这种结构模式各层之间相互独立，减少相互依赖性，降低开发难度，便于更多开发。Android手机客户端采用脚本语言完成界面设计，主要包含登录界面、功能界面、参数设置及控制界面。客户端功能模块分为五部分：用户信息、用电信息、支付情况、消息公告、附近发现。后台管理系统主要功能模块有四大部分：账户管理、数据管理、操作管理及数据查询统计。Android客户端与后台进行交互通信实现。用户通过手持端能够直观地查看当前用电量、当前电费余额、及当前电价等信息，针对用电情况，可合理计划用电，提高节能意识。系统登录界面、用电信息界面曲线图分别如图3、图4所示。

图3 登录界面图

4安科瑞AcrelCloud-3200预付费水电云平台

4.1 系统方案
        系统为B/S架构，主要包括前端管理网站和后台集抄服务，配合公司的预付费电表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用户计量箱ADF300L系列，实现电能计量和电费管理等功能。另外可以选配远传阀控水表组成水电一体预付费系统，达到先交费后用水的目的，剩余水量用完自动关阀。

4.2 系统功能
        AcrelCloud-3200预付费水电云平台由云平台-网关-预付费电能表组成，通过通信网络完成系统到表的充值、查询、监控、控制及短信报警等功能。
        本系统适用于一些大集团和大物业，往往需要将多个物业环境、分散于各地的物业集中式收费和管理，面临着数据公网传输，财务操作分散，在线支付，总部财务扎口等复杂的需求。


远程集中抄表：抄表信息通过网关实时上传到云平台，快速便捷，免去人工抄表 。

水表预付费:可是查看某区域水表的实时状态信息，并可以进行单表或批量设置水价控阀等操作。

远程售电:财务集中管理，电量实时下发，并比对充值次数，方便快捷。



能耗分析:用户和管理员都可查询预付费表或管控表每天的用能状况；可提供能耗分析+财务轨迹一体式综合管理报表，包含用户表的能耗、财务数据、能耗和财务的期初期末值等数据。

在线支付:商户可以通过小程序或者微信公众号实现在线自助充值水电费，也可以实时关注商铺用水用电情况。

短信提醒:金额不足或金额欠费提醒、电表充值到账提醒，都可及时短信通知商户。

远程控制:可对任意一块电表执行远程拉闸或保电等一系列远程控制操作，方便管理。
4.3 产品选型

5结束语

        针对传统的电能表的弊端，本文提出的基于物联网Android平台的智能多用户电表系统，不仅能够采集多用户的用电参数，且用户可通过手持端实现对用电信息的查询、支付等功能，方便用户生活。该系统体积小、功能强、可移动性等特点，促进资源节约，推进智能化发展，具有较高的应用价值和社会经济价值。
 
【参考文献】
【1】周克良，聂丛楠，邢素林.基于物联网Android平台的智能多用户电表系统设计
【2】刘利彬.基于物联网技术的智能抄表系统的研究[D].吉林：东北电力大学，2014.
【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06
 
作者简介：陈芳芳，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事宿舍安全用电研究发展。