田 穎，武 一

（河北工業(yè)大學 電子信息工程學院，天津 300401）

利用GPRS實現(xiàn)對高校各實驗室電量的監(jiān)測

田 穎，武 一

（河北工業(yè)大學 電子信息工程學院，天津 300401）

供電系統(tǒng)發(fā)展的新方向是以信息化、互動化為特征。通過對各區(qū)域用電情況的分析，供電系統(tǒng)可進行自動、合理的供電，從而達到節(jié)約資源的目的?；谔岣呦到y(tǒng)運行效率和電能利用率，降低人工成本的目的，本文針對高校實驗室搭建了一個電量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以GPRS為核心通信方式。通過組合數(shù)字式戶用電表、Open1081、sim900a模塊以及云服務來完成，其不僅可以實時監(jiān)測高校各實驗室的電量，而且還可以實現(xiàn)用電管理功能。

電量監(jiān)測；GPRS；云服務；MySQL；用電管理

隨著經(jīng)濟和科技的長足發(fā)展，人類的生產(chǎn)和生活中出現(xiàn)了很多依靠電力驅動的電器、設備，如何高效合理利用電能也隨之變得越來越重要[1]。未來的供電系統(tǒng)可通過有效調配電能在實現(xiàn)合理用電的基礎上為廣大電力用戶提供優(yōu)質供電服務、增值服務[2]，電量監(jiān)測技術是系統(tǒng)配電網(wǎng)側的關鍵技術[3-6]。高校實驗室不僅用電量可觀，而且分散分布，建立一套應用于高校實驗室并具有用電管理功能的電量監(jiān)測系統(tǒng)是較好的選擇，有利于提高運行效率、能源利用率和可靠性[7-8]。

1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)架構如圖1所示。其中，電能采集終端是整個網(wǎng)絡的終端節(jié)點[9]，其是在目前普遍使用的數(shù)字式電能計量表的基礎上，通過增加GPRS通信模塊和繼電器模塊使其具有通信和開關功能；數(shù)據(jù)收集平臺搭建在云服務器端[10]，其上運行著服務器應用程序和數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)，服務器應用程序主要完成電量數(shù)據(jù)的接收、計算和存儲功能[11]；用電管理功能包括停電管理和電費充值。系統(tǒng)秉承無線抄表系統(tǒng)在系統(tǒng)安裝方面方便、快捷的優(yōu)勢[12-13]，不受距離的限制[14]。

2 電量數(shù)據(jù)的獲取和發(fā)送

2.1 方案的設計思想及框圖

系統(tǒng)采用C/S架構，如圖2所示。電能采集終端是客戶端，由戶用數(shù)字式電能計量表、通信部分和開關部分組成。戶用數(shù)字式電能表擁有電能測量的基本功能，此外還有用戶端控制、多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信等智能化功能[15-16]。開關部分接收服務器的供斷電指令來實現(xiàn)開關電。

圖1 系統(tǒng)架構

圖2 獲取和發(fā)送電量數(shù)據(jù)的總體方案

2.2 實現(xiàn)原理

2.2.1 硬件設計

電能采集終端在硬件上由 Open1081（由Core1081和其引出的外設組成 ）、sim900a、繼電器和戶用數(shù)字式電能計量表組成，其中，Open1081是控制器。在硬件連接上，戶用數(shù)字式電能計量表使用uart1；sim900a使用uatr4；繼電器的被控制端先于電能計量表接入220 V交流電，控制端接Open1081提供的3.3 V直流電，信號線接Open1081的gpio引腳。

2.2.2 軟件設計

從0X0800C000起存放GPRS發(fā)送電量數(shù)據(jù)的程序，程序流程如圖3所示，主要包括硬件設備的初始化、獲取電量數(shù)據(jù)、通過GPRS發(fā)送電量數(shù)據(jù)以及接收供斷電指令。

1）硬件初始化

初始化sim900a需使用AT指令，包括 AT+ CIPCLOSE=1（關閉TCP連接）、AT+CIPSHUT（關閉移動場景）、AT+CIPMUX=0（設置單路IP連接模式）、AT+CIPQRCLOSE=1（開啟加速遠端斷開連接）、AT+CIPMODE=0（選擇TCP/IP的應用模式，設置為非透明傳輸模式）。

2）獲取電量數(shù)據(jù)

圖3 電能采集終端程序流程

控制器Core1081獲得uar1接收的數(shù)字式電能表的數(shù)據(jù)，開發(fā)主要使用stm32f2xx_usart.c庫。首先，新建uart1.c文件，主要包括串口初始化函數(shù)、判斷串口接收狀態(tài)函數(shù)、寫串口函數(shù)、讀串口函數(shù)、中斷處理函數(shù)。其次，新建getdata.c文件，依據(jù)電能采集終端的通信規(guī)則編寫通信層程序讀取其電量數(shù)據(jù)，包括發(fā)送指令的send_command函數(shù)和獲得數(shù)據(jù)的get_data函數(shù)。

3）發(fā)送電量數(shù)據(jù)

發(fā)送的數(shù)據(jù)有兩項：電能采集終端的編號、電量值。

①建立GPRS連接。函數(shù)為gprs_connect（），通過“AT+CIPSTART”指令使sim900a開啟GPRS網(wǎng)絡功能，并通過IP和端口號嘗試連接目標網(wǎng)絡中的服務器應用程序Server。

②存儲數(shù)據(jù)并發(fā)送

發(fā)送：通過gprs_send（senddata）函數(shù)向串口uart4寫入指令“AT+CIPSEND”使sim900a進入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，之后向串口寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，最大可以一次發(fā)送1 352字節(jié)，數(shù)據(jù)輸入完后，按照sim900a的通信規(guī)則，輸入十六進制的1 A，啟動發(fā)送過程。

③發(fā)送間隔：函數(shù) msleep（）和 sleep（）用于延遲，程序每隔30秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)收集平臺

3.1 平臺架構

平臺采用IaaS型服務模式，在運營商提供的以Linux為操作系統(tǒng)的云服務器上搭建，其IP地址為138.128.194.130。在該服務器上運行著服務器應用程序Server和Apache以及MySQL數(shù)據(jù)庫。Server端口號為10222，Apache的端口號為80，MySQL的端口號為3306。Server、Apache中的 PHP文件在Linux中的部署為：Server文件路徑為root；PHP文件路徑為/user/local/apache2/htdocs/admin，包括 link.php、img、index.html、list.php。

3.2 數(shù)據(jù)庫的設計

建立數(shù)據(jù)庫”Laboratory”并在其中創(chuàng)建數(shù)據(jù)表“ElecLab”，表中數(shù)據(jù)項如表1所示。

表1 “ElecLab”中的各數(shù)據(jù)項

Elec是電能采集終端發(fā)送的電量值，一個時間累計量。Elec_mon是Elec與Elec_old的差值。MElec和OMElec的差值是兩次傳送數(shù)據(jù)間實驗室消耗的電費。此外，在數(shù)據(jù)庫中設計標志數(shù)據(jù)項switch_flag用于實現(xiàn)用電管理功能。

3.3 服務器應用程序

3.3.1 功能劃分

Server用于實現(xiàn)和多個電能采集終端的雙向通信、處理電量數(shù)據(jù)以及更新數(shù)據(jù)庫；Apache用于響應管理人員查詢數(shù)據(jù)的請求，它會將數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁中以表格的形式呈現(xiàn)出來。如此設計的目的是為了實現(xiàn)功能分離，減少耦合性。

3.3.2 設計思想和軟件實現(xiàn)

1）和多個電能采集終端的雙向通信

圖4 Server核心功能流程圖

該部分運用Unix下C語言編程，程序流程如圖4所示。首先運用守護進程技術使Server后臺運行，然后運用socket通信技術使Server進入偵聽模式。在子線程進行數(shù)據(jù)處理的同時，主線程將回到accept去處理下一個終端的請求，并開辟新的子線程來處理下一個終端的電量數(shù)據(jù)。最終，主線程下會有多個子線程service_thread并行運行。

2）處理電能采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)以及更新數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)

使用Unix下C語言、結構化查詢語言SQL和MySQL庫函數(shù)來完成，程序流程如圖5所示。在子線程service_thread中調用updatedatabase函數(shù)進行計算并使用update語句更新數(shù)據(jù)庫。Elec_old更新為Elec值和OMElec清0是月末由管理人員人工操作數(shù)據(jù)庫完成。

圖5 處理和更新數(shù)據(jù)的程序結構

3）響應管理人員的請求

利用XAMPP軟件包建立PHP+Apache+MySQL開發(fā)環(huán)境來編寫、調試PHP文件。

①編寫link.php文件用于連接數(shù)據(jù)庫，主要語句為：

②編寫index.html文件作為數(shù)據(jù)查詢登錄界面。

③ 編寫list.php文件用于調取數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)。首先是判斷用戶名和密碼，然后調取數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)并在網(wǎng)頁中顯示，運用PHP的echo語句。

4 用電管理

4.1 停電管理

在電能采集終端中使用繼電器作為開關。停電管理即Server遠程自動向電能采集終端發(fā)指令控制繼電器開關電。

4.1.1 硬件設計

選用JQC-3F（T73）電磁型繼電器，工作電壓為3 V。繼電器的被控制端先于電表接入220 V交流電，控制端接Open1081提供的3.3 V直流電。

4.1.2 軟件實現(xiàn)

服務器應用程序 Server利用TCP/IP型 socket通信。為了不影響 Server接收和處理電量數(shù)據(jù)，Server將運用多線程技術另外開辟子線程來完成此功能。

1）數(shù)據(jù)庫中新建數(shù)據(jù)項switch_flag用以標明終端的開關電狀態(tài)，供電為1，斷電為0。

2）子線程不斷輪詢數(shù)據(jù)庫并分析Expenses值來篩選數(shù)據(jù)，整個過程如圖6所示。

①斷電查詢條件為：select*from ElecQuantity where Expenses＜=0 and switch_flag=1

②供電查詢條件為：select*from ElecQuantity where Expenses＞0 and switch_flag=0

圖6 遠程自動控制電能采集終端供斷電

3）調用send（c[i].fds，msg，strlen（msg），0）向電能采集終端發(fā)送使繼電器關閉或開啟的指令switch_0或switch_1。

4）更改該用戶的標志switch_flag數(shù)值，使用update語句。

4.2 電費充值

電費充值功能由管理人員利用學校管理處電腦上的繳納電費軟件Recharge完成。管理人員在彈出的充值界面中輸入用戶名和充值金額，點擊“充值”即可實現(xiàn)Expenses值的更新。Recharge基于MFC架構，其程序流程如圖7所示。

5 系統(tǒng)運行效果與分析

經(jīng)實踐測試，當Server開啟后所有的client可及時連接上服務器并很快進入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。Server可同時接收并處理17個終端的數(shù)據(jù)，如圖8所示。當某實驗室的電費余額小于等于0或恢復大于0狀態(tài)時，服務器會及時向該終端發(fā)送斷電或開電指令。繳費軟件運行正常，繳費成功后會彈框提醒“電費充值成功”。

圖7 電費充值程序流程圖

圖8 Server的并發(fā)測試

基于GPRS的高校實驗室電量監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效實時監(jiān)控分散分布于校園各處實驗室的電量，兼具可靠性和節(jié)省人工成本的優(yōu)點。此外，該系統(tǒng)方便管理員在任何時間、地點來查詢各個實驗室的電量信息，省去到各實驗室查看電表的繁瑣工作，有助于提高工作效率。

6 結束語

文中設計了一種適用于高校實驗室的智能電表監(jiān)測系統(tǒng)。這個系統(tǒng)不但可以對高校各個實驗室的用電情況進行實時監(jiān)測，而且能在準確記錄和計算數(shù)據(jù)的基礎上實現(xiàn)用電管理功能。整個系統(tǒng)簡潔高效，系統(tǒng)開銷小。系統(tǒng)同樣適用于偏遠地方或針對其它設備進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，因此系統(tǒng)的應用范圍并不拘泥于此，具有可擴展性。

[1]劉振亞．中國電力與能源[M]．北京：中國電力出版社，2012．

[2]姚建國，楊勝春，高宗和，等.電網(wǎng)調度自動化系統(tǒng)發(fā)展趨勢展望[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31（13）:7-1.

[3]Working Group on Smart Grids of CIRED．Smart Grids on the Distribution Level-Hype or Vision CIRED’s point of view[R]．Final Report，2013，05.

[4]李鵬波，徐建政，呂昂.智能配電網(wǎng)研究技術綜述[J].機電一體化，2013（10）：5-9.

[5]Uluski R W.The role of advanced distribution automation in the smart grid[C].Power and Energy Society General Meeting，2010.

[6]余貽鑫，劉艷麗.智能電網(wǎng)的挑戰(zhàn)性問題[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39（2）：2-3.

[7]宋曉明.美國怎么建設智能電網(wǎng)系統(tǒng)[N].中國電子報，2015-7-14（6）.

[8]范明天，張毅威，等.歐洲配電網(wǎng)智能化發(fā)展的驅動力和需求分析[J].供用電，2015（1）：51-55.

[9]董娜.基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用[D].武漢：武漢理工大學，2006.

[10]曲鵬飛.區(qū)域自動氣象站統(tǒng)一數(shù)據(jù)收集平臺的設計[J].成都信息工程學院學報，2011（2）：12-15.

[11]黎春蘭，鄧仲華.論云計算的服務質量[J].圖書與情報，2012（4）：2.

[12]傅仁軒.基于無線傳感器網(wǎng)絡的遠程自動抄表系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34（5）：150-152.

[13]劉文霞，單曉東，等.歐洲配電網(wǎng)智能化發(fā)展中的通信技術[J].供用電，2015（6）：36-45.

[14]楊萬榮，朱博智.智能配電網(wǎng)及其技術需求分析[J].華北電力大學學報，2013，33（31）：53-55.

[15]陳會.配電監(jiān)測系統(tǒng)中遠程抄表系統(tǒng)的設計[D].蘇州：蘇州大學，2014.

[16]張東霞，姚良忠，馬文媛.中外智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略[J].中國電機工程學報，2013（6）：9-10.

Monitoring the electric power of laboratories in universities through GPRS

TIAN Ying，WU Yi
（SchoolofElectronicandInformationEngineering，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin 300401，China）

The new development direction of electric power supply system is information and interaction.Through analysising the usage situation of electric power of different regions，electric power supply system can supply electric power automaticly and reasonablely so as to achieving the purpose of saving resources.To improve system efficiency and energy utilization and reduce labor costs，a electric power monitoring system for laboratories of universities is necessary to be established.The system chooses GPRS as main communication mode.Through combinating digital household electric meter，Open1081，sim900a module and cloud services，it can not only real-time monitor electric power of laboratories，but also can realize power management function.

electric power monitoring；GPRS；cloud services；MySQL；electricity management

TN915.5

：A

：1674－6236（2017）05-0107-05

2016-03-05稿件編號：201603056

河北省自然科學基金（E2015202109）

田 穎（1989—），女，山西晉中人，碩士。研究方向：智能控制和智能系統(tǒng)。