Research on the Network Meter of Electrical Quantities

and the Energy-saving Reverse Control System

楊煥崢1,2　楊國華1,2　歐陽喬1,2　徐華軍1,2　崔業(yè)梅2

(江蘇省無線傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)開發(fā)中心1，江蘇 無錫　214153；無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院2，江蘇 無錫　214153)

網(wǎng)絡(luò)電量表和反向節(jié)電控制系統(tǒng)的研究

Research on the Network Meter of Electrical Quantities

and the Energy-saving Reverse Control System

楊煥崢1,2楊國華1,2歐陽喬1,2徐華軍1,2崔業(yè)梅2

(江蘇省無線傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)開發(fā)中心1，江蘇 無錫214153；無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院2，江蘇 無錫214153)

摘要：以樂聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器和本地網(wǎng)關(guān)為基礎(chǔ)，對TCP/IP數(shù)據(jù)雙向通信進(jìn)行了研究，提出了網(wǎng)絡(luò)電量表和反向節(jié)電控制系統(tǒng)。通過傳感器采集電氣設(shè)備信息(電壓、電流、有功、無功功率等)，并傳遞給網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)和路由模塊相連，將數(shù)據(jù)通過無線方式傳送給樂聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器；用戶可以通過PC機(jī)遠(yuǎn)程登錄樂聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站，觀看電氣設(shè)備信息實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化。在樂聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁上，設(shè)有的按鍵分別遠(yuǎn)程控制電氣設(shè)備的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。用戶還可以使用短息、微信等手段對系統(tǒng)進(jìn)行反向控制。系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)關(guān)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)電量表節(jié)能反向控制

Abstract：With LEWEI50 server and local gateway as the basis, the TCP/IP bi-directional data communication is researched，the network meter of electrical quantities and the energy-saving reverse control system is proposed. The information (voltage, current, active power reactive power, etc.) of electrical apparatus is collected through transducers, and then transmitted to the gateway; the gateway is connected with the route module, the data are sent to LEWEI50 server via wireless mode. The users can remotely login the website of LEWEI50 through PC to observe real time data variation of the information of electrical apparatus, on LEWEI50 website, there are push buttons for remotely controlling ON and OFF of the electrical apparatus to achieve energy saving control. In addition, there are measures of SMS or Wechat for reversing control, the system possesses widely applicable values.

Keywords：GatewayTCP/IPNetwork coulomb meterEnergy-savingReverse control

0引言

為了積極響應(yīng)學(xué)校建設(shè)智能型、節(jié)能型、環(huán)保型校園的倡議，對能源計(jì)量開展了相關(guān)的研究工作，能夠?qū)崿F(xiàn)電能測量與節(jié)電控制，相關(guān)電能數(shù)據(jù)可以在樂聯(lián)網(wǎng)在線實(shí)時(shí)顯示并做到節(jié)電反向控制，實(shí)現(xiàn)校園重點(diǎn)區(qū)域的用電監(jiān)控。本文給出了這種節(jié)能遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制的方法并付諸于實(shí)現(xiàn)，不局限于電器設(shè)備的電能遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，改變傳感器還可實(shí)現(xiàn)諸如農(nóng)業(yè)溫度、濕度等參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備和樂聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)時(shí)觀察傳感器數(shù)據(jù)的變化情況，提高工作效率。通過樂聯(lián)網(wǎng)的反向控制，可以通過一些現(xiàn)有的平臺(tái)，控制負(fù)載的變化(可以使用網(wǎng)頁、短息、微信等常用的通信手段進(jìn)行反向控制)。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)以樂聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站和本地網(wǎng)關(guān)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)樂聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)的TCP/IP數(shù)據(jù)雙向通信。通過傳感器采集電氣設(shè)備信息(電壓，電流，有功、無功、視在功率等參數(shù))，然后傳遞給網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)和無線路由模塊相連，將數(shù)據(jù)通過無線方式傳送給樂聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，用戶可以通過PC機(jī)遠(yuǎn)程登錄樂聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站，觀察電氣設(shè)備信息實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化。設(shè)置的按鍵分別可以遠(yuǎn)程控制電氣設(shè)備關(guān)閉和開啟，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。

2樂聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳過程研究

首先打開樂聯(lián)網(wǎng)(www.lewei50.com)網(wǎng)站，注冊用戶名、密碼后登陸，在個(gè)人信息里能看到系統(tǒng)分配的32位用戶密匙(Userkey)，例如：“ca2bee371e9d4ddf97ae87ba71c0ee21”。其次，在“我的網(wǎng)關(guān)”里添加一個(gè)新的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)標(biāo)志可以設(shè)為“01”。

接著，在“我的設(shè)備”里添加一個(gè)新的設(shè)備，取名電燈電壓有效值，設(shè)備標(biāo)志“1”，屬于網(wǎng)關(guān)“01”。樂聯(lián)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)過程示意圖如圖2所示，網(wǎng)關(guān)設(shè)備為客戶端，與樂聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器建立TCP/IP鏈接，服務(wù)器地址為Tcp.lewei50.com(42.121.128.216)，端口號(hào)：9 960。

圖2　樂聯(lián)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)過程示意圖

為了弄清樂聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳機(jī)制，使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)調(diào)試軟件進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)上傳和反向控制。假設(shè)傳感器采集的電器設(shè)備電壓有效值是233.333 3 V，調(diào)用樂聯(lián)網(wǎng)API(UpdateSensors),推送JSON數(shù)據(jù)到樂聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。在TCP/IP調(diào)試軟件的發(fā)送數(shù)據(jù)框里，填寫如下內(nèi)容，{"method":"update","gatewayNo":"01","userkey":"ca2bee371e9d4ddf97ae87ba71c0ee21"}&^!{"method":"upload","data":[{"Name":"1","Value":"233.3333"}]}&^!點(diǎn)擊發(fā)送[1]。樂聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器端會(huì)立刻予以響應(yīng)，最后登錄樂聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁平臺(tái)，查看上傳的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳成功。

3樂聯(lián)網(wǎng)長鏈接反向控制研究

樂聯(lián)網(wǎng)長鏈接反向控制如圖3所示，只要能上互聯(lián)網(wǎng)，就可以使用長鏈接反向控制，網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為客戶端，必須主動(dòng)連接樂聯(lián)網(wǎng)TCP/IP服務(wù)器，不連接注冊，無法使用。如果要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)隨發(fā)，網(wǎng)關(guān)設(shè)備立即收到，網(wǎng)關(guān)設(shè)備必須與樂聯(lián)網(wǎng)TCP/IP服務(wù)器之間一直保持連接，即發(fā)送注冊包和心跳包，適用于GPRS。

在TCP/IP調(diào)試軟件中，建立TCP/IP客戶端，服務(wù)器地址為Tcp.lewei50.com(42.121.128.216)，端口號(hào)：9 960，這也是長鏈接控制TCP/IP服務(wù)器。鏈接到TCP/IP服務(wù)器后，發(fā)送注冊包，向TCP/IP服務(wù)器說明此網(wǎng)關(guān)的身份。注冊包信息為{"method":"update","gatewayNo":"01","userkey":"ca2bee371e9d4ddf97ae87ba71c0ee21"}&^!其中,&^!為結(jié)束符，用于判斷是否完整包，與TCP/IP服務(wù)器通信，發(fā)送和接收末端都要加&^!。注冊包需要每1 min發(fā)送一次，否則TCP/IP服務(wù)器將會(huì)斷開網(wǎng)關(guān)。當(dāng)樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)給TCP/IP服務(wù)器推送控制命令時(shí)，TCP/IP服務(wù)器會(huì)返回網(wǎng)關(guān)離線的響應(yīng)。對于網(wǎng)關(guān)設(shè)備來說，務(wù)必保證每分鐘內(nèi)發(fā)送一次TCP心跳包，以保持與TCP/IP服務(wù)器的TCP/IP鏈路完好，一般40 s為宜[2]。

圖3　樂聯(lián)網(wǎng)長鏈接反向控制圖

TCP服務(wù)器收到控制指令后，將指令轉(zhuǎn)換為如下格式發(fā)給網(wǎng)絡(luò)終端。{"method":"s end","gatewayNo":"01","userkey":"ca2bee371e9d4ddf97ae87ba71c0ee21","f":"writeSerial","p1":"on"}&^!意思是向Userkey的用戶，通過1號(hào)網(wǎng)關(guān)，寫入p1:on。網(wǎng)絡(luò)終端接收到這個(gè)指令后，應(yīng)該向TCP服務(wù)器，作出如下響應(yīng)：{"method":"response","result":{"success ful":true,"message":"Write serial successful 0"}}&^!。TCP/IP服務(wù)器收到網(wǎng)關(guān)設(shè)備的響應(yīng)后，再對樂聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁平臺(tái)作出響應(yīng)。這個(gè)過程是自動(dòng)的，不需要人工干預(yù)。網(wǎng)絡(luò)終端從TCP/IP服務(wù)器發(fā)出的指令串中取出有用的信息，用來控制下一級(jí)設(shè)備。

對于網(wǎng)絡(luò)終端來說，首先建立連接發(fā)送注冊包，其次等待接收指令，最后接收到指令后，作出對TCP/IP服務(wù)器的響應(yīng)和對下級(jí)設(shè)備的控制。

4樂聯(lián)網(wǎng)UPNP反向控制研究

UPNP反向控制必須有公網(wǎng)IP或路由端口映射的配合，網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為服務(wù)器端，平臺(tái)隨時(shí)發(fā)出控制指令，網(wǎng)關(guān)設(shè)備隨時(shí)收到，不適用GPRS。UPNP反向控制適用于有公網(wǎng)IP的用戶，或者說，PC經(jīng)過路由器連到公網(wǎng)IP上，在路由上設(shè)置端口映射，網(wǎng)絡(luò)上的其他PC可以訪問到該P(yáng)C。UPNP反向控制過程如下：登陸樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，設(shè)置網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)為可控網(wǎng)關(guān)，API地址為http：//192.168.1.5:5555,5555為路由器開的端口映射，當(dāng)路由器收到5555端口數(shù)據(jù)，就會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)給PC。填寫好公網(wǎng)IP，設(shè)置好后使用TCP調(diào)試軟件，建立一個(gè)TCP服務(wù)器。在樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能物聯(lián)中，建立控制指令，發(fā)送指令，TCP調(diào)試軟件中收到來自平臺(tái)的控制命令；收到命令后，要對平臺(tái)進(jìn)行一個(gè)響應(yīng)，否則平臺(tái)會(huì)報(bào)錯(cuò)即“控制網(wǎng)關(guān)API訪問出錯(cuò)”；網(wǎng)絡(luò)終端提取指令，控制下一級(jí)設(shè)備。樂聯(lián)網(wǎng)UPNP反向控制流程：Tcp.lewei50.com:9 960-> TCP/IP網(wǎng)關(guān)設(shè)備->傳感器。①網(wǎng)絡(luò)終端為服務(wù)器模式，由樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)直接進(jìn)行控制；②取控制指令，進(jìn)行控制。

5設(shè)備連接、軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)測試

主程序流程圖如圖4所示。

圖4　主程序流程圖

電能數(shù)據(jù)采集電路以ATT7022電能數(shù)據(jù)采集芯片為核心，采集電器設(shè)備的電壓，電流，有功、無功、視在功率等參數(shù)[3-4]。網(wǎng)關(guān)設(shè)備使用意法ST公司STM32F103系列的ARM芯片為核心，以韓國微知納特公司的W5500型號(hào)芯片全硬件實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧[5-6]。WiFi模塊采用海凌科HLK-RM04 WiFi路由模塊。反向控制采用DC-AC繼電器模塊實(shí)現(xiàn)ARM芯片3.3 V直流信號(hào)控制交流220 V電路的通斷。電能數(shù)據(jù)采集電路與網(wǎng)關(guān)設(shè)備相連，網(wǎng)關(guān)設(shè)備與WiFi模塊相連，同時(shí)又與DC-AC繼電器模塊相連。電器設(shè)備的電壓，電流，有功、無功、視在功率等數(shù)據(jù)在樂聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁平臺(tái)顯示[7-8]，通過樂聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁平臺(tái)按鍵長鏈接反向控制電燈的通斷。

軟件系統(tǒng)使用C語言進(jìn)行編程，采用Keil uVision4 for ARM開發(fā)環(huán)境編譯。主程序流程主要包括STM32系統(tǒng)初始化、W5500配置、初始化ATT7022C、寫校表寄存器、讀電表參數(shù)、給樂為物聯(lián)服務(wù)器發(fā)數(shù)據(jù)幀子程序、接收樂聯(lián)網(wǎng)反控?cái)?shù)據(jù)幀、判斷是關(guān)閉還是開啟等子程序。

網(wǎng)關(guān)給樂為服務(wù)器發(fā)數(shù)據(jù)幀子程序如下所示，分登錄Lewei_Login()和上傳Lewei_Upload()兩部分。

void Lewei_Login()

{char userkey[32] = "ca2bee371e9d4ddf97ae87ba71c0ee21";

char gatewayNo[] = "01";

unsigned char i;

sprintf((char*)ssbuff,"{"method":"update","gatewayNo":"%s","userkey":"%s"}&^!",gatewayNo,userkey);

S0_SendOK=1;

∥Process Socket IR register

Process_IR0();

∥Process Socket SR register

i=Read_Byte_W5500(Sn_SR(0));

if(i==0)

Socket_Connect(0);

else if(i==SOCK_ESTABLISHED)

Loop_Back();

memset(ssbuff,'