楊煥崢， 楊國華， 徐 玲

(1. 江蘇省無線傳感系統(tǒng)應用工程技術(shù)開發(fā)中心， 江蘇 無錫 214153；2. 無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學院， 江蘇 無錫 214153)

基于Modbus協(xié)議和ARM的電能監(jiān)控系統(tǒng)設計

楊煥崢1,2， 楊國華1,2， 徐 玲1,2

(1. 江蘇省無線傳感系統(tǒng)應用工程技術(shù)開發(fā)中心， 江蘇 無錫 214153；2. 無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學院， 江蘇 無錫 214153)

傳統(tǒng)電能監(jiān)控采用電力線載波通訊，存在低壓電力線上的干擾，配電變壓器對信號的阻隔，監(jiān)控數(shù)據(jù)不易上傳云平臺等缺點，設計結(jié)合家庭、企業(yè)等WIFI熱點，采用無線的方式，實現(xiàn)小范圍的物聯(lián)網(wǎng)智能電能監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)包含電能采集、智能網(wǎng)關(guān)、云平臺三部分。多個級聯(lián)的電表采集到的各個電氣設備的電能參數(shù)，經(jīng)由Modbus協(xié)議、RS-485通信方式傳輸給智能網(wǎng)關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)采用STM32微處理器對電能數(shù)據(jù)處理并顯示， WIFI模塊將電能數(shù)據(jù)上傳至Internet網(wǎng)絡。電能數(shù)據(jù)可以在樂聯(lián)網(wǎng)云平臺上實時顯示，并由網(wǎng)頁界面對用電設備進行節(jié)電反向控制。

電能監(jiān)控； 網(wǎng)關(guān)； 無線傳輸； 電力系統(tǒng)

0 引 言

響應國家建設智能型、節(jié)能型、環(huán)保型用電系統(tǒng)的倡議，該系統(tǒng)作為傳統(tǒng)利用電力線進行電能監(jiān)測方式的補充，基于最新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過無線模塊和樂聯(lián)網(wǎng)，可以實時觀察電能傳感器數(shù)據(jù)的變化情況，可用于企業(yè)、工廠、校園、宿舍等區(qū)域性的電能監(jiān)控。

設計一種物聯(lián)網(wǎng)智能電能監(jiān)控系統(tǒng)[1]，通過級聯(lián)的多個單相智能導軌式小型電表DDS238-1ZN采集各個電氣設備的電能參數(shù)，包含電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率等，通過Modbus協(xié)議、RS-485通信方式傳輸給智能網(wǎng)關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)部分由STM32F103 ARM電路、TFT LCD觸摸液晶屏和HLK-RM04 WIFI模塊等組成。一方面將Modbus協(xié)議傳輸過來的電能數(shù)據(jù)經(jīng)MCU處理后送TFT LCD觸摸液晶屏顯示，另一方面將電能數(shù)據(jù)通過WIFI模塊經(jīng)無線路由器上傳至Internet網(wǎng)絡，傳遞給樂聯(lián)網(wǎng)云服務器，客戶可以通過計算機遠程登錄樂聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站，查看用電設備電能實時數(shù)據(jù)變化，并且在樂聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站上，設有按鍵分別可以遠程控制用電設備關(guān)閉和開啟，實現(xiàn)節(jié)能控制。

該系統(tǒng)結(jié)合了WIFI無線技術(shù)，不同于ZigBee技術(shù)[2]，具有以下優(yōu)勢：① 依托物聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，數(shù)據(jù)CRC校驗，Modbus和TCP/IP傳輸，可靠、安全。② 使用智能單相導軌式小型電能表DDS238-1ZN進行電能采集，可以每路至少級聯(lián)32個設備以上，可靠性強，集成度高。③ 采用最新HLK RM04 WIFI模塊進行串口轉(zhuǎn)TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸，方案新穎。④ 采用目前主流的云平臺進行數(shù)據(jù)存儲、處理，安全可靠，方便快捷，并能實現(xiàn)短信、微信、網(wǎng)頁等發(fā)布數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能

該系統(tǒng)分為電能采集、智能網(wǎng)關(guān)、云平臺三部分，如圖1所示。

圖1 智能電能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1) 電能采集。使用智能單相導軌式小型電能表DDS238-1ZN進行電能采集，通過RS-485接口傳輸電能數(shù)據(jù)給智能網(wǎng)關(guān)，通過Modbus規(guī)約與智能網(wǎng)關(guān)通信，CRC差錯校驗[3-4]。

(2) 智能網(wǎng)關(guān)。使用STM32F103RCT6 ARM微處理器芯片，采用TFT LCD顯示模塊，實現(xiàn)液晶顯示與觸摸操控，采用HLK-RM04 WIFI模塊進行TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸。通過STM32F103的串口將電能數(shù)據(jù)發(fā)給相連WIFI模塊，經(jīng)Internet網(wǎng)絡上傳到樂聯(lián)網(wǎng)云平臺。

(3) 云平臺。數(shù)據(jù)上傳樂聯(lián)網(wǎng)時，智能網(wǎng)關(guān)為客戶端，與樂聯(lián)網(wǎng)服務器建立TCP/IP鏈接，調(diào)用樂聯(lián)網(wǎng)API，推送JSON數(shù)據(jù)到樂聯(lián)網(wǎng)服務器，樂聯(lián)網(wǎng)反向控制采用長鏈接的通信機制[5-6]。

1.1 電能表的ModBus協(xié)議數(shù)據(jù)格式

可以將RS-485-232轉(zhuǎn)換器的T+/B與DDS238型單相導軌式電子式電能表的5腳相連，將RS-485-232的T-/A與DDS238型單相電能表的6腳相連、DDS238型單相電能表的1腳接火線，DDS238型單相電能表的4腳接零線，用Z-TEK USB轉(zhuǎn)串口線將RS-485-232轉(zhuǎn)換器與電腦相連。打開測試軟件，選擇相對應的端口和波特率，分別進行讀地址、讀電壓、讀電流等選項的測試，發(fā)送指令看能否讀取到數(shù)據(jù)，以此測試電能表。

ModBus網(wǎng)絡用于工業(yè)系統(tǒng)的通信，該網(wǎng)絡可以支持247個以內(nèi)的從節(jié)點控制器。該系統(tǒng)中的智能電表和STM32開發(fā)板之間就是通過ModBus通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互的。STM32發(fā)送8 B指令碼給智能電表，格式如下：地址0x03、0x00、0x00、0x00、0x02、低位CRC、高位CRC。地址指電表被設置的地址，取值1-247；功能碼0x03，指使用該功能碼讀數(shù)據(jù)；0x00 0x00為數(shù)據(jù)寄存器地址；0x00 0x02為數(shù)據(jù)量，讀取兩個16位數(shù)；CRC為2 B的校驗碼，先低位再高位。智能電表發(fā)送電能數(shù)據(jù)給STM32(共9 B)：地址 0x03 0x04 XX XX 低位CRC 高位CRC。數(shù)據(jù)量0x04，指數(shù)據(jù)發(fā)送的字節(jié)數(shù)；XX XX指4 B浮點數(shù)數(shù)據(jù)。讀電壓220 V過程為，STM32發(fā)指令01 03 00 0c 00 01 44 09給電表；STM32從電表接收01 03 02 56 ef c6 68數(shù)據(jù)。如果讀出電能表的電壓值為56EFH(22255)，則實際值為222.55V，固定保留2位小數(shù)，電流等參數(shù)類似。

1.2 智能網(wǎng)關(guān)的設計

該部分主要采用STM32F103RCT6 ARM芯片作為核心處理器，最高72 MHz工作頻率，并與電源、晶振、復位等構(gòu)成最小系統(tǒng)[7-8]，如圖2所示。連接RS-485電路，接收電能傳感器Modbus協(xié)議傳輸過來的數(shù)據(jù)，連接TFT LCD模塊，實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的顯示，連接HLK-RM04 WIFI模塊，實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的TCP/IP Internet傳輸。連接GSM/GPRS模塊，實現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)進行發(fā)送短信告警處理[9]。

圖2 ARM STM32F103RCT6的最小系統(tǒng)原理圖

RS-485連接組網(wǎng)形式采用一主多從。主站負責發(fā)起通信，從站接收數(shù)據(jù)，開始通信。RS-485是一種差分方式傳送數(shù)據(jù)，也就是說以電壓差來表示和傳送1、0。RS-485最高10 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，有較好的抗噪聲干擾能力，能達到幾百米的通信距離，能支持最多32個節(jié)點數(shù)。數(shù)據(jù)格式共采用10位， 無起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，先傳輸?shù)臀唬賯鬏敻呶弧?/p>

設置HLK-RM04模塊TCP/IP通信各選項參數(shù)，使用配置軟件通過配置項將模塊配置為所需要的功能，網(wǎng)絡協(xié)議選擇：TCP客戶端，遠端IP：42.121.128.216，端口：9960，串口轉(zhuǎn)WIFI：無線網(wǎng)卡模式，無線參數(shù)：輸入路由器的網(wǎng)絡名稱、密碼。串口參數(shù)：9600Baud速率，8位數(shù)據(jù)位，沒有檢驗位，1位停止位，啟用DHCP。STM32F103RCT6 ARM將電能數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給HLK WIFI模塊，上傳Internet網(wǎng)絡，串口選擇RS-232。

采用7.11 cm(2.8 in)的TFT LCD觸摸液晶彩屏模塊對多路電能多參數(shù)數(shù)據(jù)進行顯示[10]。另外，當ARM處理器檢測到傳感器采集的電能數(shù)據(jù)異常時，可以通過SIM900 GPRS模塊向遠程用戶手機發(fā)送告警短信。

1.3 云平臺數(shù)據(jù)交互

采用樂為物聯(lián)(lewei50服務器)作為云平臺，研究了智能網(wǎng)關(guān)與云平臺JSON數(shù)據(jù)交互的過程。

(1) 智能網(wǎng)關(guān)正向發(fā)送數(shù)據(jù)到云平臺步驟及JSON數(shù)據(jù)格式如下：連接樂聯(lián)網(wǎng)，{"method":"update","gatewayNo":"01","userkey":"9d71078ba5014903884cd9221ce27dca"}&^!其中，"01"代表樂聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站添加的設備標識，"9d71078ba5014903884cd9221ce27dca"代表用戶秘鑰，申請樂聯(lián)網(wǎng)賬號時產(chǎn)生。給樂聯(lián)網(wǎng)發(fā)數(shù)據(jù)，{"method":"upload","data":[{"Name":"1","Value":"220.2"}]}&^!其中，"1"代表傳感器參數(shù)，"Value"代表值。

(2) 樂聯(lián)網(wǎng)反向控制智能網(wǎng)關(guān)步驟及JSON數(shù)據(jù)格式如下：連接樂聯(lián)網(wǎng)，{"method":"update","gatewayNo":"01","userkey":"9d71078ba5014903884cd9221ce27dca"}&^!樂聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站中，在智能物聯(lián)的執(zhí)行命令管理中添加用電設備開啟/關(guān)閉控制命令，點擊執(zhí)行開啟/關(guān)閉命令；智能網(wǎng)關(guān)接收到樂聯(lián)網(wǎng)反向JSON控制指令，{"method":"send","gatewayNo":"01","userkey":"9d71078ba5014903884cd9221ce27dca","f":"getAllSensors"}&^!其中，"f"代表樂聯(lián)網(wǎng)控制命令管理中用電設備關(guān)閉參數(shù)"off"。發(fā)送接收成功指令給樂聯(lián)網(wǎng)，使得樂聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁能彈出執(zhí)行成功提示。{"method":"response","result":{"successful":true,"message":"Write serial successful 0"}}&^!

2 主程序流程及工作現(xiàn)象

編寫了智能網(wǎng)關(guān)ARM數(shù)據(jù)處理、傳輸、控制與顯示部分的程序，主程序流程圖如圖3所示。采用C語言作為軟件系統(tǒng)的編程語言，使用keil uVision4作為ARM的開發(fā)環(huán)境。主程序流程主要包括STM32系統(tǒng)初始化、向地址01電能表發(fā)送讀電能參數(shù)指令、接收地址01電能表反饋電能參數(shù)數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)處理、送液晶屏顯示、發(fā)送連接樂聯(lián)網(wǎng)服務器指令、數(shù)據(jù)經(jīng)串口送WIFI模塊、接收樂聯(lián)網(wǎng)反控數(shù)據(jù)幀、判斷是關(guān)閉還是開啟指令、電氣設備1通斷控制，向地址02電能表發(fā)送讀電能參數(shù)指令等，如圖3所示。

圖3 智能網(wǎng)關(guān)主程序流程圖

編寫了主程序流程圖中各部分的C程序，例如STM32F103RCT6讀電能表參數(shù)的子程序如下：

void Read_Mvalue(const uint16_t mAddr,const uint8_t mCnt)

{

uint16_t crc_check;

//按Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)格式發(fā)送代碼值

arry[1] = 0x03;

arry[2] = mAddr/256;

arry[3] = mAddr%256;

arry[4] = mCnt/256;

arry[5] = mCnt%256;

crc_check = getCRC16(arry,6);

arry[6] = crc_check/256;

arry[7] = crc_check%256;

Send_NByte(arry,8);

delay_ms(1);

USART_ITConfig(USART1,USART_IT_TC,ENABLE);

}

例如通過HLK-RM04 WIFI串口向樂聯(lián)網(wǎng)發(fā)參數(shù)的C語句如下：

if(arry[0]==0x01)

{

jieguo1=(float)(Meter_MSG.Vol[0]*256+Meter_MSG.Vol[1])/10;

sprintf(string1,"{”method”:”update”,”gatewayNo”:

”01”,”userkey”:

”9d71078ba5014903884cd9221ce27dca”}&^!

{”method”:”upload”,”data”:[{”Name”:”1”,

”Value”:”%f”}]}&^!",jieguo1);

USART5_Printf(string1);

jieguo2=(float)(Meter_MSG.Cur[0]*256+Meter_MSG.Cur[1])/100;

sprintf(string2,"{”method”:”update”,”gatewayNo”:

”01”,”userkey”:

”9d71078ba5014903884cd9221ce27dca”}&^!

{”method”:”upload”,”data”:[{”Name”:

”2”,”Value”:”%f”}]}&^!",jieguo2);

USART5_Printf(string2);

}

研制的智能網(wǎng)關(guān)實物如圖4所示，電能數(shù)據(jù)上傳樂聯(lián)網(wǎng)云平臺如圖5所示。

圖4 自制智能網(wǎng)關(guān)實物圖

圖5 上傳樂聯(lián)網(wǎng)云平臺的電能信息

3 關(guān)鍵技術(shù)和主要技術(shù)指標

(1) 電能采集。使用智能單相導軌式小型電能表DDS238-1ZN進行電能采集，通過RS-485接口傳輸電能數(shù)據(jù)給智能網(wǎng)關(guān)，提高系統(tǒng)集成度，通過Modbus規(guī)約與智能網(wǎng)關(guān)通信，CRC校驗。

(2) 智能網(wǎng)關(guān)。ARM處理器采用STM32F103 ARM芯片，采用μC/OS-II操作系統(tǒng)，UCGUI圖形支持系統(tǒng)，連接TFT LCD模塊，實現(xiàn)液晶顯示與觸摸操控[11-12]。采用HLK-RM04 WIFI模塊進行TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸。

(3) 云平臺。樂聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳過程，網(wǎng)關(guān)設備為客戶端，與樂聯(lián)網(wǎng)服務器建立TCP/IP鏈接，調(diào)用樂聯(lián)網(wǎng)API，推送JSON數(shù)據(jù)到樂聯(lián)網(wǎng)服務器，樂聯(lián)網(wǎng)反向控制采用長鏈接的通信機制。主要技術(shù)指標：電能測量的精度等級為有功1級，額定電壓AC 220 V，頻率50/60 Hz，功耗≤1 W/10 VA。WIFI通信的頻率范圍2.4～2.483 5 GHz，傳輸速率11～150 Mb/s，傳輸距離室內(nèi)最遠100 m，室外最遠360 m(因環(huán)境而異)。

4 結(jié) 語

與傳統(tǒng)電能監(jiān)控采用電力線載波通訊存在的低壓電力線上的干擾，配電變壓器對信號的阻隔，監(jiān)控數(shù)據(jù)不易上傳云平臺等缺點比較[13-14]，系統(tǒng)結(jié)合家庭、企業(yè)等WIFI熱點，采用無線的方式，在小范圍的電能監(jiān)控實施方面有所創(chuàng)新，功能強大，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本優(yōu)勢明顯?？梢灶A見，該創(chuàng)新產(chǎn)品具有較好的市場前景。

本文給出一種節(jié)能遠程監(jiān)測與控制的思路并付諸于實現(xiàn)，不局限于企業(yè)、校園用電設備控制，可以推廣為家庭、工業(yè)電器設備的電能遠程監(jiān)測與控制，改變傳感器還可實現(xiàn)其它遠程監(jiān)控應用，可以節(jié)約使用人員時間，提高工作效率[15]。通過樂聯(lián)網(wǎng)的方向控制，可以通過一些現(xiàn)有的平臺，控制負載的變化(在條件允許的情況下，可以使用網(wǎng)頁、短息、微信等常用的通信手段進行反向控制)。

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DesignofIntelligentPowerMonitoringSystemBasedonModbusProtocolandARM

YANGHuanzheng1,2，YANGGuohua1,2，XULing1,2

(1. Jiangsu Research and Development Center of Application Technology for Wireless Sensing System，Wuxi 214153, Jiangsu, China； 2. Wuxi Institute of Commerce，Wuxi 214153, Jiangsu, China)

Traditional power monitoring adopts a power-line carrier communication and its shortcomings include interferences from the low-voltage power line, blockage of the distribution transformer on the signal, and difficulty in uploading monitoring data to the cloud platform. This design integrates family and enterprise class WIFI hotspots and wirelessly realizes the innovation in small-scale power monitoring. Intelligent power monitoring system contains three parts of electric energy collection, intelligent gateway and cloud platform. Through multiple cascaded electric energy meters, the power parameter of the electrical equipment has been collected, is transmitted to intelligent gateway via Modbus protocol and RS-485 communication mode. By utilizing STM32 microprocessor, intelligent gateway processes and displays electric data, upload the data via WIFI module to Internet. Electric data can be displayed real-time on the cloud platform of LEWEI50. In addition, the data can conduct power saving reverse control of electric equipment by means of web interface.

electric energy monitoring; gateway; wireless transmission; electric power system

TM 933.4

A

1006-7167(2017)11-0072-05

2017-03-22

2016年度江蘇省高校自然科學研究面上項目(16KJB120007); 無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學院校級課題(SYKJ16D17)

楊煥崢(1980-)，男，江蘇無錫人，碩士，講師，主要從事電能監(jiān)控的嵌入式系統(tǒng)工程等方向的研究。

E-mail:yanghuanzheng@wxic.edu.cn