符長友， 雷 文， 朱文忠， 藍(lán)集明， 易國平

(四川理工學(xué)院 計算機(jī)學(xué)院，四川 自貢 643000)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能一體化表設(shè)計

符長友， 雷 文， 朱文忠， 藍(lán)集明， 易國平

(四川理工學(xué)院 計算機(jī)學(xué)院，四川 自貢 643000)

針對目前家庭中水表、電表各自為政，沒有高效協(xié)作、統(tǒng)一處理，采用多種傳感器、ZigBee無線通信、4G無線通信、嵌入式微處理器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計出一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智能一體化表。闡述了其系統(tǒng)架構(gòu)與工作原理、硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計等。實(shí)踐表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能一體化表不僅具有實(shí)時監(jiān)測用戶的水、電相關(guān)參數(shù)與階梯計費(fèi)，而且在水力、電力公司和用戶之間構(gòu)建全新的供用水、供用電關(guān)系，從而有效促進(jìn)整個社會資源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

智能一體化表； 物聯(lián)網(wǎng)； ZigBee； 傳感器

0 引 言

目前，我國普通家庭用戶收費(fèi)計量含多種表計，如水表、電表、氣表等。當(dāng)前的狀態(tài)是它們各自計量、計費(fèi)，無法實(shí)行有效地統(tǒng)一管理。因此建設(shè)部要求將水、電、氣的計量功能高度整合與有效集成，并迫切希望有一種全新的、一體化的多功能智能表計問世，以實(shí)現(xiàn)水、電、氣的準(zhǔn)確計量與高效管理[1-5]。

為此，經(jīng)深入研究，設(shè)計出一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智能一體化表，實(shí)現(xiàn)水、電的準(zhǔn)確計量與階梯計費(fèi)，同時也將水力、電力公司實(shí)現(xiàn)水網(wǎng)、電網(wǎng)的信息化、自動化、互動化，并在水力、電力公司和用戶之間構(gòu)建全新的供用水、供用電關(guān)系，促進(jìn)整個社會資源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，提高資源利用效率和減少資源浪費(fèi)，有效推動低碳電力、水力、低碳能源乃至低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，從而提升我國水力、電力公司的供水、供電服務(wù)水平與管理水平[3-10]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與工作原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能一體化表由多個智能一體化表與系統(tǒng)管理中心(軟件)構(gòu)成，兩者之間通過4G實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，這樣便于用戶及時查詢、知曉及掌握所使用水、電資源情況及最新數(shù)據(jù)，如圖1所示。智能一體化表將實(shí)現(xiàn)水量、電量的智能感知與實(shí)時采集，并自動對用水、用電實(shí)行階梯實(shí)時計費(fèi)、實(shí)時在線顯示。同時將所采集的用水、用電信息自動存儲并把相關(guān)信息通過4G發(fā)送給系統(tǒng)管理中心。智能一體化表也可接收系統(tǒng)管理中心發(fā)來的控制指令，并執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。此外，用戶也可采用短信方式通過智能一體化表來主動查詢用水、用電及相關(guān)費(fèi)用等信息。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能一體化表系統(tǒng)功能框圖

智能一體化表由水量智能采集終端與信息采集處理系統(tǒng)構(gòu)成，兩者通過ZigBee無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如圖2(a)所示。水量智能采集終端實(shí)現(xiàn)水流量自動采集，并將所采集的信息通過ZigBee實(shí)時傳送給信息采集處理系統(tǒng)。同時也可接收信息采集處理系統(tǒng)發(fā)來的控制指令(如關(guān)閉電磁閥等)，并執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。此外還需要感知水的溫度，特別是在冬天時需判斷出水管里的水是否已結(jié)冰，所以需要溫度傳感器。因此水量智能采集終端由微處理器、流量計傳感器、溫度傳感器、電磁閥、ZigBee無線通信模塊組成，如圖2(b)所示。

(a) 智能一體化表功能框圖

(b) 水量智能采集終端功能框圖

圖2 智能一體化表結(jié)構(gòu)圖

信息采集處理系統(tǒng)含有用電信息的智能感知與自動采集，以及用電階梯計費(fèi)、用水階梯計費(fèi)與實(shí)時顯示。并將所采集的電能參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行比較、判定。如果某項參數(shù)超過設(shè)定值，則自行預(yù)警，并及時斷電，保護(hù)電氣設(shè)備。同時，把用戶的用水、用電信息定時向系統(tǒng)管理中心發(fā)送，也可接收系統(tǒng)管理中心發(fā)送的控制指令，并執(zhí)行其相關(guān)操作及控制。因此信息采集處理系統(tǒng)由電能參數(shù)傳感器、嵌入式微處理器、ZigBee無線、4G無線、實(shí)時時鐘、LCD顯示器、繼電器等組成，如圖3所示。

圖3 信息采集處理系統(tǒng)功能框圖

2 關(guān)鍵點(diǎn)電路設(shè)計

2.1 流量計傳感器

流量計傳感器作為水量感知的終端，是整個系統(tǒng)的一個重要部件。為了確保計量的精準(zhǔn)，采用高性能的FPR1501流量計。該器件工作電壓為DC 12～15 V，額定壓力為0.1 MPa，介質(zhì)流體溫度為0～70 ℃。其提供高度線性的0～5 V DC輸出信號和緩沖的線性脈沖輸出信號進(jìn)行累加,可高精度測量低至15 mL/min的微小液體流速[11]，其電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 水量智能采集終端原理圖

2.2 ZigBee無線通信模塊

ZigBee無線通信模塊選用DRF1605H。該模塊與IEEE802.15.4兼容，易于使用且功耗極低，以確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠傳輸。其小巧的外形以節(jié)省板卡空間。同時該模塊工作在ISM 2.4 GHz頻段，并支持較寬范圍的數(shù)據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用?？赏ㄟ^AT命令進(jìn)行高級配置[12]，其電路設(shè)計如圖4所示。

2.3 水量采集微處理器

由于水量智能采集終端的數(shù)據(jù)量少，其運(yùn)算處理量也較小，并且ZigBee傳輸速率低，因此微處理器采用LPC811M001。該芯片是基于Cortex-M0的低成本32位MCU，工作頻率可高達(dá)30 MHz。且?guī)в? KB的閃存和2 KB的SRAM，其外設(shè)包括1個I2C總線接口、2個USART、1個SPI接口、1個多速率定時器、狀態(tài)可配置定時器、1個輸入模式匹配引擎和14個通用I/O引腳[13]，其電路設(shè)計如圖4所示。

2.4 電能參數(shù)傳感器

電能參數(shù)智能感知采用ATT7053AU，是一款帶SPI接口的單相多功能計量芯片，其工作電壓為3.0～3.6 V。該芯片的特征為：3路19位sigma-delta A/DC，采樣率為28 kHz/14 kHz/7 kHz(可調(diào))；支持3 000∶1的動態(tài)范圍；支持無功、有功、視在功率和電能脈沖輸出；可同時得到三通道的有效值，以及電壓頻率，電壓電流相位；還具有過零中斷、防竊電等功能[14]。其電路設(shè)計如圖5所示。電壓信號從V3P(L)、V3N(N)接入，電流信號從V2P(L)、V2N(N)接入，零線從V1P、V1N接入。

圖5 ATT7053AU電路設(shè)計原理圖

2.5 4G無線通信模塊

4G通信采用MC7710模塊。該模塊支持LTE，DC-HSPA+，HSPA+，HSDPA，HSUPA，WCDMA，GSM，GPRS，EDGE網(wǎng)絡(luò)，同時也支持0.8，0.9，1.9，2.1，2.6 GHz等多種頻率。具有隨時隨地連接互聯(lián)網(wǎng)、收發(fā)短信息、無線傳輸語音信息等功能，可采用PCI Express Mini Card接口或USB接口與外部微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[15]。具體設(shè)計中，利用AT指令通過USB接口對MC7710進(jìn)行讀寫操作控制，其電路設(shè)計如圖6所示。MC7710的USIM_data、USIM_clk、USIM_rst分別與UIM卡座的Data、Clock、Reset引腳相連。

圖6 MC7710電路原理設(shè)計圖

2.6 系統(tǒng)微處理器

由于系統(tǒng)微處理器需與電能參數(shù)感知、ZigBee無線通信、4G無線通信等多個模塊通信，因此系統(tǒng)微處理器需具有SPI、UART、USB等多種接口。于是選用基于Cortex-M4F內(nèi)核的TM4C1233E6PM，帶有128 KB的Flash，2 KB的E2PROM，32 KB的RAM，含8個UART接口、2個SPI接口、1個USB接口，I/O口達(dá)43個，工作頻率可達(dá)80 MHz，同時還含有1個實(shí)時時鐘，采用64LQFP封裝[16]。此外，為了確保長時間的數(shù)據(jù)存儲，采用32 GB的SD卡存儲用戶的水、電等數(shù)據(jù)。其電路設(shè)計如圖7所示。采用本設(shè)計，系統(tǒng)體積小、成本低、可靠性高。

圖7 TM4C1233E6PM原理設(shè)計圖

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計流程圖

信息采集處理是整個系統(tǒng)的核心組成部分，其程序設(shè)計流程圖如圖8所示。

3.2 電能參數(shù)感知程序

電能參數(shù)智能感知是整個系統(tǒng)的一個重要組成部分，其核心程序部分代碼如下：

void read_Power()//讀取電表數(shù)據(jù)

{

urt0_send(0D,8); //從UART0讀取數(shù)據(jù)命令字

for(unsigned int i=0;i<2000;i++);

for(unsigned char i=0;i<64;i++) recev[i]=0;

(*tft_p).calculate(0,0,0,0ff,uart0_rave_s(recev));

// UART0接收電表反饋回來的數(shù)據(jù)

voltage=((recev[3]<<24)|(recev[4]<<16)|(recev[5]<<8)|(recev[6]))/10000; //電壓數(shù)據(jù)

current=((recev[7]<<24)|(recev[8]<<16)|(recev[9]<<8)|(recev[10]))/10; //電流數(shù)據(jù)

power=((recev[11]<<24)|(recev[12]<<16)|(recev[13]<<8)|(recev[14]))/10000; //功率數(shù)據(jù)

……

圖8 系統(tǒng)軟件流程框圖

3.3 流量計傳感器程序

水流計量也是整個系統(tǒng)的一個重要組成部分，其子程序部分代碼如下：

tick_time++;

if(tick_time>(32*3)) //每隔3秒測量水流

{

water_flow=(double)(water_time*1000)/(double)(3*550); //水流(mL/s)

water_volume+=(double)(water_flow*3)/(double)1000; //

累計用水量water_time=0;

tick_time=0;

}

3.4 4G無線通信子程序

4G無線通信是智能控制、管理的核心部分，其子程序部分代碼如下：

uart2_send_s((unsigned char*)”AT ”,recev);

uart2_send_s((unsigned char*)”AT+CSCS=”GSM”

”,recev);

uart2_send_s((unsigned char*)”AT+CMGF=1 ”,

recev);

unsigned char phone_0[50];

unsigned char phone_2[ ]=”” ;

strcpy((char*)phone_0,”AT+CMGS=” ”);

……

3.5 ZigBee無線通信子程序

ZigBee無線通信子程序部分代碼如下：

4 測試數(shù)據(jù)

用Philips公司生產(chǎn)的25 W/230 V、40 W/230 V、60 W/230 V普通白熾燈泡作為被測對象，同時又用專業(yè)設(shè)備測試，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 一體化智能表在不同負(fù)載時的監(jiān)測與儀器實(shí)測對比表

注：實(shí)測儀器為廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司生產(chǎn)的在線式多回路電能質(zhì)量監(jiān)測裝置E8300

(a) 智能一體化表實(shí)物圖

(b) 信息采集處理系統(tǒng)工作界面顯示圖

(c) 信息采集處理系統(tǒng)工作時參數(shù)顯示圖

(d)用戶接收端水、電參數(shù)顯示圖

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能一體化表實(shí)物工作如圖9所示。

5 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能一體化表不僅能有效地實(shí)行階梯式水價、電價的用水、用電管理模式，以方便用戶選擇最適宜的用水、用電方式，而且還能高效地監(jiān)管、控制水、電資源，以緩解水、電資源的緊張。此外，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能一體化表還將在水力、電力公司和用戶之間構(gòu)建起全新的供用水、供用電關(guān)系，從而有效促進(jìn)整個社會資源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低碳社會。

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Design of Smart Integrated Meter Based on Internet of Things

FUChangyou,LEIWen,ZHUWenzhong,LANJiming,YIGuoping

(School of Computer Science, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, Sichan, China)

At present, the water meter and power meter without efficient collaboration, lack of coordination and unified management in family. So a smart integrated meter based on Internet of Things (IoT) is proposed and designed with adopting multi-sensors, ZigBee wireless communication, 4G wireless communication, embedded microcontroller and other IoT techniques. The system architecture, working principle, hardware design and software design are described in detail in this paper. The practice shows that the smart integrated meter has real-time monitoring of the user's water, power parameters and can complete ladder billing. Meantime a new combination of water supply, power supply and demand relationship between hydraulic, power company and user is constructed. Thus the whole social resources consumption structure is changed further.

smart integrated meter; internet of things; ZigBee; sensors

2016-09-18

四川省院士(專家)工作站基金項目(2014YSGZZ01)；四川省教育廳科技項目(14ZB0214,16ZA0258);企業(yè)信息化與物聯(lián)網(wǎng)測控技術(shù)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項目(2016WZY201)；江河流域生態(tài)環(huán)境的集成感知與應(yīng)用四川省院士(專家)工作站(2015YSGZZ04)

符長友(1976-),男,四川岳池人,高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向:工業(yè)控制、智能監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

Tel.:0813-5505917，13990076672；E-mail:fcybill@163.com

TP 273.5；TP 216.2

A

1006-7167(2017)06-0133-05