唐勇++張映蘋++陳江++肖元++陳迎春++王晨丞

摘 要

國(guó)內(nèi)電力服務(wù)應(yīng)用終端包括集中器、采集器、集中充值終端、補(bǔ)寫卡終端、臺(tái)區(qū)識(shí)別儀等針對(duì)電力單一功能需求研究并實(shí)現(xiàn)的設(shè)備，大量設(shè)備的建設(shè)投入使用給施工、維護(hù)帶來很大的不便，同時(shí)設(shè)備功能的單一和重復(fù)投入也造成一定資源浪費(fèi)。本文對(duì)智能感知互動(dòng)綜合服務(wù)系統(tǒng)的需求進(jìn)行了詳細(xì)的分析，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一體化得智能電表多功能互動(dòng)服務(wù)終端。研究成果包括：（1）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)集中實(shí)現(xiàn)智能電表購電.充值.寫卡.信息查詢等功能于一體的多功能服務(wù)終端；（2）建立遠(yuǎn)程購電寫卡的安全機(jī)制.系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入安全措施，確保外網(wǎng)接入內(nèi)網(wǎng)的安全性；網(wǎng)絡(luò)充值的費(fèi)用管理措施，通過技術(shù)和管理手段實(shí)現(xiàn)充值過程的安全管理；（3）對(duì)終端的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了研究并提出了解決辦法。

【關(guān)鍵詞】智能終端 多功能交互式服務(wù) 嵌入式 ESAM安全模塊

1 引言

隨著市場(chǎng)化改革的推進(jìn)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、氣候變化的加劇、環(huán)境監(jiān)管要求的日趨嚴(yán)格與國(guó)家能源政策的調(diào)整，電力網(wǎng)絡(luò)跟電力市場(chǎng)、用戶之間的協(xié)調(diào)和交換越來越緊密。隨著用戶的服務(wù)需求變化、電力用戶逐漸從電網(wǎng)的被動(dòng)參與者向主動(dòng)參與者轉(zhuǎn)變，對(duì)電網(wǎng)的服務(wù)水平提出了更高的要求。用戶希望獲得更加及時(shí)準(zhǔn)確的用電信息，也對(duì)電網(wǎng)的服務(wù)水平提出了更高的要求，

而目前面向大眾用戶的國(guó)內(nèi)電力服務(wù)應(yīng)用終端包括集中器、采集器、集中充值終端、補(bǔ)寫卡終端、臺(tái)區(qū)識(shí)別儀等針對(duì)電力單一功能需求研究并實(shí)現(xiàn)的設(shè)備，大量設(shè)備的建設(shè)投入使用給施工、維護(hù)帶來很大的不便，同時(shí)設(shè)備功能的單一和重復(fù)投入也造成一定資源浪費(fèi)。

目前發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)達(dá)城市主要采用電力寬帶通信技術(shù)（電力載波寬帶通信技術(shù)）、光纖通信技術(shù)、IP通道方式及無線通信技術(shù)進(jìn)行用電信息采集技術(shù)的研究。如日本東京電力公司正在研究采用IP通道方式結(jié)合無線多跳通信技術(shù)的研究，來降低實(shí)施成本，提高采集成功率，本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容為智能電表應(yīng)用、智能電表應(yīng)用擴(kuò)展支持以及雙向互動(dòng)服務(wù)的多功能一體化服務(wù)終端，目前國(guó)際尚無研究和應(yīng)用成果。

而國(guó)內(nèi)電力公司主要為國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)，目前主要是基于電力載波的用電信息采集、基于廣電網(wǎng)絡(luò)的電力信息采集、基于小無線的電力信息采集。用電信息采集系統(tǒng)架構(gòu)均基于主站、集中器、采集器、智能電表的分級(jí)管理模式。

國(guó)內(nèi)電力服務(wù)應(yīng)用終端包括集中器、采集器、集中充值終端、補(bǔ)寫卡終端、臺(tái)區(qū)識(shí)別儀等設(shè)備都是針對(duì)電力單一功能需求研究并實(shí)現(xiàn)，大量設(shè)備的建設(shè)投入使用給施工、維護(hù)帶來很大的不便，同時(shí)設(shè)備功能的單一和重復(fù)投入也造成一定資源浪費(fèi)。

近年來，有公司嘗試將采集器和集中器整合，也在作相關(guān)的研究和試運(yùn)行，但對(duì)于本項(xiàng)目中研究的將集中器、采集器、集中充值、補(bǔ)寫卡、NFC近場(chǎng)通信、信息互動(dòng)以及臺(tái)區(qū)識(shí)別等功能的整合研究，國(guó)內(nèi)尚無先例。

本文旨在研究設(shè)計(jì)一款針對(duì)本地費(fèi)控智能電表的智能充值購電的一體化終端，實(shí)現(xiàn)購電、充值、寫卡、余額查詢及顯示、電量查詢及顯示、停電公告查詢及顯示、所屬臺(tái)區(qū)編號(hào)和名稱顯示及其它信息查詢等功能，方便客戶服務(wù)，加強(qiáng)客戶互動(dòng)體驗(yàn)，提升客戶服務(wù)水平；建立電表信息采集、遠(yuǎn)程充值、電價(jià)批量下發(fā)、信息發(fā)布的第二通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自由上傳與下傳，為客戶提供互動(dòng)服務(wù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)支撐。最終實(shí)現(xiàn)集集中器、采集器、在線購電終端、補(bǔ)寫卡終端、集中充值終端、臺(tái)區(qū)識(shí)別、信息發(fā)布終端于一體化多功能互動(dòng)服務(wù)終端。

通過研究一體化多功能互動(dòng)服務(wù)終端整合現(xiàn)場(chǎng)各種電力服務(wù)終端，提供更加豐富的內(nèi)容，提升客戶服務(wù)體驗(yàn)，讓智能電網(wǎng)更具智慧，同時(shí)設(shè)備的整合還可以大大降低整個(gè)電力現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)終端設(shè)備的運(yùn)維成本，避免碎片化。

2 智能感知多功能互動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能感知多功能互動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)主要由四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成即多功能互動(dòng)服務(wù)終端子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一安全接入平臺(tái)、信息服務(wù)支撐平臺(tái)、電力業(yè)務(wù)子系統(tǒng)構(gòu)成。其系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖1所示。

該系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，在終端的上行通道中使用了GPRS和LAN又接入支持，同時(shí)所有數(shù)據(jù)的交互都經(jīng)國(guó)網(wǎng)安全接入平臺(tái)，完成采集和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交互。

3 互動(dòng)終端硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)備架構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)終端的平臺(tái)采用ARM+Android架構(gòu)，通過整合大屏設(shè)計(jì)和外設(shè)控制板的IR、RS485、ESAM、PLC、NFC、IC卡讀寫模塊、Audio模塊來完成采集和互動(dòng)功能。硬件架構(gòu)如圖3所示。

終端相關(guān)的主要部件主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示：

多功能互動(dòng)終端的硬件設(shè)備主要功能。

3.1.1 遠(yuǎn)程通信功能

通過GSM/WCDMA模塊直接與電力信息采集主站的連接，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。另外也可以通過LAN接口加密連接到主站采集系統(tǒng).

3.1.2 載波通信功能

通過終端自帶的PLC插座，可以接插三相路由板載波模塊，實(shí)現(xiàn)載波通信功能，實(shí)現(xiàn)與電表的數(shù)據(jù)交互。能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電價(jià)下發(fā)，電費(fèi)下發(fā)，通過PLC載波通信，直接把相關(guān)數(shù)據(jù)傳入電表中。能實(shí)現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)采集功能。

3.1.3 電能表RS485通信功能

通過自帶的RS485通信接口，直接連接到電能表，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，最大數(shù)量32只電能表

3.1.4 大屏幕顯示功能，帶觸摸互動(dòng)

支持本地信息的顯示，所在小區(qū)名，用戶名，電表序號(hào)，購電卡序號(hào)。

支持遠(yuǎn)程信息顯示，購電次數(shù)，購電IC卡狀態(tài)，上次購電金額，當(dāng)前購電金額，當(dāng)月用電量，當(dāng)前階梯電價(jià)，當(dāng)前費(fèi)率切換時(shí)間，當(dāng)前電價(jià)。

支持購電操作：

支持功能切換操作，IC卡/NFC/PLC/紅外/LAN/攝像頭/RS485；

支持顯示錯(cuò)誤信息，提示用戶下一步操作；

支持視頻短片播放，廣告/警告/操作培訓(xùn)。

3.1.5 語音功能

支持觸摸按鍵聲音，提示用戶按鍵成功。

支持語音導(dǎo)航，引導(dǎo)用戶辦理相關(guān)業(yè)務(wù)。

支持警報(bào)，操作以外中斷，工作不正常。

3.1.6 ESAM安全模塊交互功能

可以通過ESAM模塊完成與電能表安全驗(yàn)證，并傳遞有效數(shù)據(jù)。

3.1.7 購電IC卡的讀寫功能

可以實(shí)現(xiàn)對(duì)購電IC卡的文件讀取，寫入操作。從而實(shí)現(xiàn)本地信息查詢，遠(yuǎn)程電費(fèi)寫入購電IC卡中。

3.1.8 NFC近場(chǎng)通信功能

通過帶NFC功能的外設(shè)靠近終端感應(yīng)區(qū)域，即可快速讀取當(dāng)前用戶電能表數(shù)據(jù)。

3.1.9 二維碼和條碼掃描功能

通過掃描頭，可以掃描二維和條碼，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的查詢功能。

3.2 硬件接口設(shè)計(jì)

（1）GPRS/WCDMA/ 通信接口，支持一張標(biāo)準(zhǔn)的GSM卡插入；

（2）一組RS485通信接口；

（3）一組RS232接口；

（4）一組紅外通信接口；

（5）支持一個(gè)PLC載波通信模塊接入；

（6）支持NFC近場(chǎng)通信接口；

（7）支持一張購電IC卡讀寫接口；

（8）支持一個(gè)LAN接口，方便接入互聯(lián)網(wǎng)或者專網(wǎng)；

（9）外設(shè)和核心板交互才用RS232通信接口實(shí)現(xiàn)，通信規(guī)約采用DLT645-2007規(guī)約；

（10）終端的數(shù)據(jù)文件，如視頻文件，數(shù)據(jù)庫文件。和終端主站的交互將采用FTP方式進(jìn)行傳輸；

（11）NFC通信接口將采用標(biāo)準(zhǔn)的ISO14443A協(xié)議；

（12）網(wǎng)絡(luò)接口LAN將采用標(biāo)準(zhǔn)的UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 終端關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 多模板兼容

整個(gè)系統(tǒng)是由多個(gè)功能模塊組合在一起，共同完成的功能。需要協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的資源，硬件接口的兼容性，初始化時(shí)間，抗干擾性，以及容錯(cuò)性，外設(shè)越多，造成的干擾就越大，系統(tǒng)的可靠性就越低，需要通過反復(fù)測(cè)試與驗(yàn)證，確認(rèn)和資源的平衡狀態(tài)，確保各個(gè)模塊正常工作。

應(yīng)對(duì)措施：為了降低核心主板研發(fā)多模板兼容風(fēng)險(xiǎn)，我們選采購已經(jīng)成熟應(yīng)用的主板，在確定主板技術(shù)參數(shù)符合終端的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)后，完善各模塊的驅(qū)動(dòng)及功能。

4.2 ESAM安全模塊數(shù)據(jù)交互

需要研究完整的數(shù)據(jù)安全認(rèn)證流程，但都是在線有效數(shù)據(jù)，才能通過認(rèn)證，這給研發(fā)測(cè)試階段，帶來不小的麻煩，模擬測(cè)試數(shù)據(jù)無法通過驗(yàn)證。需要計(jì)量中心協(xié)調(diào)資源進(jìn)入測(cè)試與驗(yàn)證。

應(yīng)對(duì)措施：協(xié)調(diào)計(jì)量中心、內(nèi)江公司為終端研制提供必要的集中器、采集器、智能電表物料，完成終端的在線測(cè)試。

4.3 NFC近場(chǎng)通信

近距離通信存在主從關(guān)系，一般來講手機(jī)自帶的NFC是屬于主機(jī)，被讀標(biāo)簽屬于從機(jī)，標(biāo)簽的內(nèi)容一般是固定的，內(nèi)部存儲(chǔ)空間也很小，所以要實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)傳輸，需要實(shí)現(xiàn)基于手機(jī)內(nèi)置NFC芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳送的功能，且NFC通訊數(shù)據(jù)采用加密方式傳輸。

應(yīng)對(duì)措施：為保障NFC近場(chǎng)通信功能研究順利完成，我公司已經(jīng)計(jì)劃在項(xiàng)目啟動(dòng)就開展NFC近場(chǎng)通信的通信功能研究和實(shí)驗(yàn)，特別是針對(duì)NFC的雙向通信功能進(jìn)行研究。

4.4 網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)安全性

出于安全考慮，系統(tǒng)不集成藍(lán)牙和WIFI功能，因?yàn)檫@兩種方式基本上把網(wǎng)絡(luò)公開了，會(huì)對(duì)安全造成極大的潛在威脅，LAN口有線連接和GPRS通信則不會(huì)存在上述。它們走的數(shù)據(jù)信道都是通過了加密處理的專用VPN通道。

應(yīng)對(duì)措施：在網(wǎng)絡(luò)通道選擇上，我們選擇LAN口有線連接和GPRS通信避免網(wǎng)絡(luò)公開，且網(wǎng)絡(luò)通道為采集VPN通道或國(guó)網(wǎng)公司安全接入平臺(tái)。一般數(shù)據(jù)傳輸通過加密處理，電費(fèi)下載等智能電表數(shù)據(jù)傳輸遵循智能電表數(shù)據(jù)安全策略。

4.5 支付安全性研究

用戶充值購電需要一套安全策略，包含用戶信息保護(hù)、用戶支付帳戶、支付額度、電費(fèi)下載等安全保護(hù)內(nèi)容。

應(yīng)對(duì)措施：

（1）避免信息泄露；

（2）避免用戶輸入敏感信息；

（3）避免大額支付；

（4）支付方式采用成熟第三方支付接口；

（5）不在終端上實(shí)現(xiàn)支付，支付方式使用手機(jī)App在線支付。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)集中實(shí)現(xiàn)智能電表購電.充值.寫卡.信息查詢等功能于一體的多功能服務(wù)終端，討論了多功能互動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、多功能互動(dòng)終端的硬件設(shè)計(jì)、并對(duì)服務(wù)系統(tǒng)所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的解決方法。論文中設(shè)計(jì)的終端能夠有效的解決當(dāng)前用戶需求與當(dāng)前的各種終端設(shè)備使用復(fù)雜的矛盾問題。具有很好的推廣和實(shí)用價(jià)值。

本文中討論的多功能互動(dòng)終端后期將結(jié)合手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)集物業(yè)服務(wù)，信息發(fā)布，家庭安防，便民信息查詢的智能社區(qū)增值服務(wù)，打造全方位的O2O社區(qū)生活平臺(tái)。社區(qū)居民通過與多功能互動(dòng)終端的互動(dòng)不斷提升了生活的質(zhì)感，讓生活變的更智能。同時(shí)智慧城市是下一代城市的發(fā)展方向，未來城市將遍布各種芯片和傳感器，智能傳感設(shè)備將城市公眾設(shè)施物聯(lián)成網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)完全連接和融合，將數(shù)據(jù)整合，為城市運(yùn)營(yíng)核心系統(tǒng)提供智能的基礎(chǔ)設(shè)施。多功能互動(dòng)終端將插上能源互聯(lián)的翅膀，利用相關(guān)新技術(shù)成果建立水表、電表、暖表和氣表四者溶為一體的能源互聯(lián)控制系統(tǒng)，充分利用本項(xiàng)目已建成的電力系統(tǒng)通信信道，由多功能終端將采集到的水、電、氣、暖表的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心；各管理部門也將各自的命令數(shù)據(jù)通過多功能終端和能源路由器下發(fā)到各自的計(jì)量表。它跨越了水、電、氣、暖管理分離的障礙，突破了水、電、氣、暖各自獨(dú)立管理的壁壘，在相關(guān)技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)了資源共享，完成水表、電表、暖表和氣表的自動(dòng)抄表控制工作。既彌補(bǔ)了目前抄表工作中存在的諸多缺陷和使用不便，又很好的解決了多個(gè)管理系統(tǒng)的融合問題，很好的滿足了各自行業(yè)管理的現(xiàn)實(shí)需要，真正實(shí)現(xiàn)抄表收費(fèi)、管理的自動(dòng)化，為自動(dòng)抄表系統(tǒng)開辟一條科學(xué)有效的新途徑，促使城市中的基礎(chǔ)設(shè)施等進(jìn)入全新高速的智慧化發(fā)展階段。

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作者簡(jiǎn)介

唐勇（1965-）男，重慶市人。研究生學(xué)歷。高級(jí)工程師，先后從事電網(wǎng)調(diào)度，電力營(yíng)銷，農(nóng)電管理工作。曾擔(dān)任四川省電力公司營(yíng)銷部電費(fèi)電價(jià)處長(zhǎng)，現(xiàn)任內(nèi)江供電公司副總經(jīng)理。

作者單位

1.內(nèi)江供電公司 四川省內(nèi)江市 641000

2.四川省電力公司計(jì)量中心 四川省成都市 610045