馬青云，王永坤，潘曉波，王丹豪，蔡言興，歐陽(yáng)海林，彭道剛

（1.國(guó)網(wǎng)上海電力公司崇明供電公司，上海 201250；2.上海電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090）

0 引言

用電設(shè)備具有分布廣、規(guī)模大等特點(diǎn)。為了保證當(dāng)前用戶側(cè)用電，在實(shí)際使用中需要對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行分散式監(jiān)控，電能計(jì)量部分成為監(jiān)控用電設(shè)備的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前來看，一方面隨著交直流輸電規(guī)模的迅速擴(kuò)大，分布式發(fā)電設(shè)備接入類型和數(shù)量的快速增加，導(dǎo)致電網(wǎng)復(fù)雜程度不斷提升，對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)提出了新的挑戰(zhàn)；另一方面新近出現(xiàn)的人工智能等新技術(shù)的發(fā)展也對(duì)電網(wǎng)的功能和運(yùn)行方式提出了新的要求，智能化成為了未來電力能源體系發(fā)展的大趨勢(shì)[1]。本文從泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的四層技術(shù)架構(gòu)出發(fā)[2]，通過了解GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)）技術(shù)在電能采集裝置中的應(yīng)用[3]，結(jié)合新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4]，總結(jié)傳統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合用戶側(cè)用電設(shè)備的實(shí)際情況，提出設(shè)計(jì)方案。

1 智能電量計(jì)量終端硬件設(shè)計(jì)框架

在本設(shè)計(jì)中，智能電量計(jì)量終端主要由電能計(jì)量模塊、控制處理模塊、有線通信模塊和無(wú)線通信模塊4 個(gè)部分組成。其功能為負(fù)責(zé)參量信號(hào)的采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸和指令上傳下發(fā)等復(fù)雜邏輯。電能計(jì)量模塊采取ADE9153B 芯片及其外圍電路為核心；控制模塊采用三星公司的S5PV210 芯片作為智能電量計(jì)量終端的MCU（微控制單元）；有線通信模塊采用串行外設(shè)接口和通用異步收發(fā)傳輸器；無(wú)線通信模塊采用GPRS和NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）共同進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸。智能電量計(jì)量終端裝置系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能電量計(jì)量終端硬件結(jié)構(gòu)

1.1 電能計(jì)量模塊電路設(shè)計(jì)

電能計(jì)量模塊原理如圖2 所示。電能計(jì)量模塊采用ADE9153B 作為高精度的電能計(jì)量IC（集成電路）芯片，該芯片具有校準(zhǔn)功能，其內(nèi)部原理如圖2（a）所示。該芯片所使用的mSure 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過程中無(wú)需基準(zhǔn)量程；內(nèi)部集成3 個(gè)高性能的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），具有測(cè)量電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)等功能。采用圖2（b）為該計(jì)量芯片進(jìn)行電壓采集的典型分壓電路結(jié)構(gòu)，圖中電路采用1 MΩ 電阻和1 kΩ 電阻串聯(lián)分壓；電流測(cè)量采用低阻值分流電阻，mSure 電流驅(qū)動(dòng)器的輸出端IAMS 連接到分流電阻的負(fù)載側(cè)，電流互感器測(cè)量零線電流并通過采樣電阻進(jìn)行采樣。

圖2 電能計(jì)量模塊原理

在電能計(jì)量模塊中還有一個(gè)MCU 處理器STM32F103RCT6 通過SPI（串行外設(shè)）接口讀取ADE9153B 的數(shù)據(jù)，再通過有線通信接口實(shí)現(xiàn)嵌入式主控制S5PV210 對(duì)電能處理模塊的實(shí)時(shí)控制，且模塊預(yù)留串口屏幕接口和按鍵接口，可以實(shí)現(xiàn)單模塊的運(yùn)行調(diào)試和數(shù)據(jù)可視化顯示。

1.2 本地通信模塊

本地通信模塊主要應(yīng)用在電能計(jì)量芯片ADE9153B 與子控制器的數(shù)據(jù)接收，主控制器S5PV210 對(duì)電能計(jì)量模塊的控制這2 個(gè)部分。

圖3 為本地通信模塊原理圖。圖3（a）為電能計(jì)量芯片ADE9153B 與子控制器STM32F103RCT6的數(shù)據(jù)傳輸采用的四線制SPI 接口。SPI 接口是一種高速、全雙工、同步的通信總線，使用四根線作為硬件連接，節(jié)約了芯片管腳，對(duì)于單主控的典型場(chǎng)景十分合適。圖3（b）為主控制器S5PV210 對(duì)電能計(jì)量模塊進(jìn)行控制的UART（通用異步收發(fā)傳輸器）接口。UART 接口采用3 線制通信，統(tǒng)一使用TTL 電平的接口方式，簡(jiǎn)化了硬件連接的復(fù)雜度。三線通信主要是電能計(jì)量模塊控制器的GND 和主控制器的GND 相連，統(tǒng)一零電位；電能計(jì)量模塊控制器的RX 線和主控制器的TX 相連接，將主控制器所發(fā)送的指令信息傳送到電能計(jì)量模塊控制器中；電能計(jì)量模塊控制器的TX 線和主控制器的RX 相連接，將電能計(jì)量模塊所得到的數(shù)據(jù)信息傳送到主控制器中。

圖3 有線通信模塊接線

1.3 無(wú)線通信模塊

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，萬(wàn)物互聯(lián)使用GPRS 技術(shù)通過GSM 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸比較普遍。GSM是一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，也就是說物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要連接到它能搜索到的最近的蜂窩單元區(qū)域。GSM 網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)覆蓋范圍廣，傳輸速率高，且可以使用GPRS 業(yè)務(wù)的地區(qū)也很廣泛，這是GPRS 技術(shù)通信技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)；但是相應(yīng)的，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備終端大都采用GSM 網(wǎng)絡(luò)，而GSM 網(wǎng)絡(luò)基站承載能力有限，在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況下，GSM 網(wǎng)絡(luò)則會(huì)優(yōu)先保證用戶的通話質(zhì)量，對(duì)于GPRS 通信設(shè)備存在踢出網(wǎng)絡(luò)的可能。

NB_IoT 是基于現(xiàn)有技術(shù)演變而來，而且是針對(duì)于LPWAN（低功率廣域網(wǎng)絡(luò)）概念的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。NB_IoT 技術(shù)同樣構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可以直接部署于GSM 網(wǎng)絡(luò)，只消耗180kHz 的帶寬。使用NB_IoT 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)終端功耗非常低；具備大連接特性，對(duì)于現(xiàn)有2G，3G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有50～100倍的用戶容量提升，不用擔(dān)心踢網(wǎng)的可能；廣覆蓋，NB-IoT 比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20 dB，相當(dāng)于提升了100 倍的覆蓋區(qū)域；具備更低的模塊成本。但是NB_IoT 對(duì)于實(shí)時(shí)性沒有要求，由于NB_IoT的穿透性好，在此過程中會(huì)自動(dòng)的反復(fù)發(fā)送，只要有一次發(fā)送成功就可以，無(wú)法保證送達(dá)時(shí)間。

在本設(shè)計(jì)中，無(wú)線通信模塊將采用雙模設(shè)計(jì)：GPRS 通信技術(shù)和NB_IoT 通信技術(shù)。終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和指令的下發(fā)將優(yōu)先采用GPRS 通信方式，NB_IoT 則進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的驗(yàn)證和備份。此外，對(duì)于終端運(yùn)行多時(shí)的打包數(shù)據(jù)則主要通過NB_IoT 技術(shù)進(jìn)行傳輸。結(jié)合這2 種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，既可以滿足本設(shè)計(jì)的所有需求，也可以靈活的應(yīng)對(duì)現(xiàn)行NB_IoT 網(wǎng)絡(luò)未完全覆蓋且2G 網(wǎng)絡(luò)逐漸退出的情況。

圖4 為本設(shè)計(jì)所用的無(wú)線通信模塊，其中之一為SIM900A，是一款GSM 模塊，將GSM 射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM 射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊；其中之二為NB-IoT 模塊NB73，內(nèi)嵌華為海思芯片，使用UART 通信模式進(jìn)行模塊配置。

圖4 無(wú)線通信模塊示意

本設(shè)計(jì)通過上述2 種無(wú)線通信硬件設(shè)備，為物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)做了硬件準(zhǔn)備，通過軟硬件結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不間斷傳輸，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、安全性和穩(wěn)定性。

1.4 控制處理模塊

圖5 為控制處理模塊的核心組成，主要包括這幾部分：控制核心三星公司的S5PV210 芯片及其運(yùn)行最小系統(tǒng)，是基于ARMv7 架構(gòu)的Cortex-A8 處理器，可以運(yùn)行經(jīng)過裁剪的嵌入式Linux 系統(tǒng)，控制電量計(jì)量終端的運(yùn)行、下發(fā)指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的事件性上傳；UART 為TTL 電平信號(hào)，方便數(shù)據(jù)的接收，簡(jiǎn)化了硬件復(fù)雜度和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的復(fù)雜度；USB Host 接口為無(wú)線通信模塊進(jìn)行AT 指令的直接控制（嵌入式Linux 系統(tǒng)中加載有USB 轉(zhuǎn)RS232 驅(qū)動(dòng)），且模塊的通信網(wǎng)絡(luò)全部通過電信運(yùn)營(yíng)商基站進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸，無(wú)需自建基站和通信網(wǎng)絡(luò)，偏遠(yuǎn)地區(qū)也可以使用；報(bào)警模塊主要是有LED 等加蜂鳴器組成本地故障報(bào)警機(jī)制；顯示模塊使用3.5 寸的電阻屏幕，其顯示界面使用QT 開發(fā)的窗口化進(jìn)程，同時(shí)接收參數(shù)的設(shè)置信息；RTC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘用來精確時(shí)間；AD/DC 接口用來直接拓展額外功能；按鍵模塊用以調(diào)試運(yùn)行和設(shè)置參數(shù)；冗余模塊包括I/O 接口、JLINK 下載接口，便于實(shí)現(xiàn)硬件和功能的拓展加強(qiáng)。

圖5 控制處理模塊的核心組成

2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的作用是通過互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，對(duì)來自硬件終端的信息進(jìn)行接入和傳輸。以泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)層相匹配。在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的四層架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層接駁感知層和平臺(tái)層，具有強(qiáng)大的紐帶作用。本設(shè)計(jì)擬采用雙重?zé)o線通信方式來保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議上，針對(duì)于現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，使之適應(yīng)本項(xiàng)目數(shù)據(jù)和指令所需。

2.1 無(wú)線通信模塊驅(qū)動(dòng)

圖6 所示為AT 指令操作無(wú)線通信模塊的流程，通過AT 指令的簡(jiǎn)單設(shè)置，便可以實(shí)現(xiàn)電量計(jì)量終端連接蜂窩網(wǎng)絡(luò)，即為數(shù)據(jù)可以無(wú)線傳輸?shù)狡脚_(tái)提供了必要條件。

圖6 無(wú)線通信模塊AT 指令配置連接網(wǎng)絡(luò)流程

2.2 無(wú)線通信模塊網(wǎng)絡(luò)直連策略

2.1 節(jié)驗(yàn)證了使用UART 向無(wú)線通信模塊逐次發(fā)送AT 指令時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信模塊與服務(wù)器平臺(tái)層的連接以及數(shù)據(jù)的雙相傳送。但是，在電量計(jì)量終端的程序運(yùn)行過程中，直接使用AT 指令進(jìn)行多線程的收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)程序處理錯(cuò)誤。究其原因?yàn)槎鄠€(gè)AT 指令頻繁作用于同一個(gè)UART 時(shí)，導(dǎo)致指令執(zhí)行的先后順序無(wú)法得到保證，所以需要一種策略保證在電量計(jì)量終端開機(jī)時(shí)，就自行啟動(dòng)無(wú)線通信模塊的AT 配置指令，使得電量計(jì)量終端獲得本地的IP 地址，目的IP 的指向云服務(wù)器平臺(tái)。這樣，就可以通過基于socket 的TCP/IP 編程使用多線程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)錯(cuò)誤收發(fā)。

針對(duì)于上述問題及其出現(xiàn)問題的原因，本設(shè)計(jì)在電量計(jì)量終端的嵌入式操作系統(tǒng)中移植并且改進(jìn)了PPP 來作為解決方案。這種解決方案針對(duì)于其他的嵌入式芯片同樣有著重要的指導(dǎo)作用。移植過程中主要是配置撥號(hào)要使用的連接腳本，只要用到了3 個(gè)文件：pppd，chat 和options。當(dāng)pppd 程序啟動(dòng)之后，會(huì)按照pathname.h 中的內(nèi)容去所指定的文件位置處尋找options 腳本；然后按照options 腳本的順序讀入?yún)?shù)行，開始配置硬件設(shè)備，比如設(shè)備的選擇，波特率的選取等；chat 腳本用來進(jìn)行AT 指令的呼叫和控制，在TCP/IP 程序的執(zhí)行過程中，會(huì)移植保持AT 指令對(duì)無(wú)線通信模塊的控制；當(dāng)pppd 程序執(zhí)行成功后，聯(lián)通或者移動(dòng)的基站分配一個(gè)IP 地址作為自己的客戶端地址，接下來按照socket 的流程建立客戶端與服務(wù)器的連接。PPP 協(xié)議簡(jiǎn)化了無(wú)線通信模塊的操作步驟，且可以保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)連通性（無(wú)外界故障時(shí)），軟件操作流程可以直接進(jìn)行基于TCP/IP 的socket 套接字編程，無(wú)需再次進(jìn)行底層AT 指令的直接控制。

2.3 軟件數(shù)據(jù)收發(fā)策略

當(dāng)軟件的硬件環(huán)境配置完成后，需要從硬件端、云服務(wù)器平臺(tái)端、APP 端配置數(shù)據(jù)和指令的收發(fā)規(guī)則。一般通用的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)消息推送相關(guān)途徑有3 種方法：PULL 模式，SMS 模式和推送模式。PULL 模式屬于輪詢模式，客戶端每隔一段時(shí)間（固定或者規(guī)律）自發(fā)的向服務(wù)器發(fā)起并且建立連接，同時(shí)查詢是否有新的消息，PULL 方法的好處是實(shí)時(shí)性好，缺點(diǎn)也比較明顯：網(wǎng)絡(luò)和資源開銷大，客戶端機(jī)制控制不好會(huì)使得服務(wù)器短時(shí)間內(nèi)收到大量請(qǐng)求；無(wú)法確認(rèn)到達(dá)率。SMS 推送模式是當(dāng)服務(wù)器有新消息時(shí)，向客戶端發(fā)送一條特殊指令，終端獲取后立即向服務(wù)器獲取信息。SMS 方法的實(shí)時(shí)性較好，但是成本較高；推送方式是在客戶端和服務(wù)器之間形成永久連接，通過長(zhǎng)連接進(jìn)行實(shí)時(shí)推送。

標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之一MQTT 是一個(gè)基于發(fā)布/訂閱模式的“輕量級(jí)”推送式的長(zhǎng)連接通信協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建與TCP/IP 上[5]。MQTT 的最大優(yōu)點(diǎn)在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。從參考文獻(xiàn)中可以了解到MQTT 協(xié)議具有以下幾個(gè)特性：使用發(fā)布/訂閱消息訂閱模式，提供了一對(duì)多的消息發(fā)布，解除了應(yīng)用程序耦合；對(duì)負(fù)載內(nèi)容屏蔽的消息進(jìn)行傳輸；使用TCP/IP 數(shù)據(jù)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)推送；有3 種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量，分別為“至多一次”“至少一次”“只有一次”；小型傳輸開銷很?。ü潭ㄩL(zhǎng)度為2 個(gè)字節(jié)）[6]。

2.4 數(shù)據(jù)代理服務(wù)器（MQTT Broker）部署

在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的四層技術(shù)框架中，電量計(jì)量終端與平臺(tái)層、應(yīng)用層進(jìn)行正常的信息交互是不可避免的問題，技術(shù)架構(gòu)上還需要一個(gè)服務(wù)器用來進(jìn)行輔助通信。開源軟件Mosquitto 就是其中一種解決方案，且MQTT 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)也需要依靠此開源軟件才可以進(jìn)行正常的信息交互。

本設(shè)計(jì)所使用的平臺(tái)層開發(fā)平臺(tái)為L(zhǎng)inux（Ubuntu）系統(tǒng)，安裝Mosquitto 需要通過引入Mosquitto 倉(cāng)庫(kù)并進(jìn)行更新以后才可以進(jìn)行安裝，其安裝過程如圖7 所示。

圖7 MQTT Broker Mosquitto 在Linux（Ubuntu）系統(tǒng)的部署過程

Mosquitto 足以完成實(shí)時(shí)性消息的推送服務(wù)。圖8 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的消息推送系統(tǒng)框架，客戶端A（消息發(fā)布者）以MQTT 協(xié)議格式向服務(wù)器發(fā)布消息，服務(wù)器以MQTT 協(xié)議格式將消息推送給客戶端B（消息訂閱者），圖中的箭頭代表了消息從發(fā)布者到訂閱者的流向。

圖8 簡(jiǎn)易消息推送系統(tǒng)框架示意

此外，本設(shè)計(jì)所使用的MQTT 方案部署在不安全的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境中，在這種情況下，設(shè)備的連接驗(yàn)證和數(shù)據(jù)的安全性顯得十分重要。本設(shè)計(jì)針對(duì)于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的四層技術(shù)架構(gòu)提供了多個(gè)層次的安全防護(hù)機(jī)制：在網(wǎng)絡(luò)層中，使用了TLS 加密技術(shù)，此加密技術(shù)防止了中間人攻擊，其生成的客戶端證書不僅可以作為設(shè)備的身份憑證，還可以用來驗(yàn)證設(shè)備的正確性；在應(yīng)用層中，MQTT 協(xié)議提供了客戶端標(biāo)識(shí)以及用戶名和密碼，便于對(duì)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證。

3 軟件系統(tǒng)框架

在本設(shè)計(jì)中，從硬件電路設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)的軟件控制邏輯分為2 個(gè)較低耦合度的部分：部分1 為本地終端的數(shù)據(jù)采集控制和MQTT 消息發(fā)布框架；部分2 為上層服務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和可視化顯示部分設(shè)計(jì)框架。

首先說明數(shù)據(jù)和指令的流向問題：數(shù)據(jù)流從下層服務(wù)向上層服務(wù)進(jìn)行依次傳遞，經(jīng)由電量計(jì)量控制器、無(wú)線通信模塊、服務(wù)器，最后到達(dá)手機(jī)APP 端的可視化界面顯示；指令流從最上層服務(wù)向下層服務(wù)依次傳遞，經(jīng)由手機(jī)APP、服務(wù)器、無(wú)線通信模塊，最后到達(dá)電量計(jì)量控制器。

3.1 本地終端軟件設(shè)計(jì)框架

圖9 所示為本地終端的軟件設(shè)計(jì)流程，第一步需要進(jìn)行硬件電路的自檢，只有硬件電路連接正確，才可以進(jìn)行后續(xù)的控制。接著智能電量計(jì)量終端使用雙線程開始運(yùn)行，在運(yùn)行過程中子程序之間彼此有數(shù)據(jù)交互。2 個(gè)線程之間的控制邏輯互不干擾，一路線程控制電量數(shù)據(jù)的讀取和MQTT 的數(shù)據(jù)發(fā)布；一路數(shù)據(jù)專門用來訂閱應(yīng)用層的指令數(shù)據(jù)，然后通過特定子程序，改變其中的數(shù)據(jù)和硬件控制狀態(tài)。

3.2 上層服務(wù)軟件設(shè)計(jì)框架

圖10 所示為上層服務(wù)的軟件流程，從圖中可知，2 個(gè)線程之間的耦合度較高，存在數(shù)據(jù)和指令的交叉，此時(shí)的MQTT 的發(fā)布客戶端和訂閱客戶端不僅要處理感知層經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)成傳輸上來的數(shù)據(jù)，還有處理應(yīng)用層所執(zhí)行的指令命令和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的存取。

在研發(fā)終端的過程中，將底層設(shè)備的控制邏輯和上層服務(wù)的控制邏輯進(jìn)行分離，降低了程序的耦合度，適合于多人開發(fā)。底層設(shè)備的控制邏輯與上層服務(wù)之間的數(shù)據(jù)交互使用MQTT 的發(fā)布/訂閱消息實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了交接流程[7]。

圖10 上層服務(wù)的軟件設(shè)計(jì)流程

4 終端驗(yàn)證分析

綜合上述的控制邏輯分析、實(shí)際硬件電路搭建和軟件編程，構(gòu)成了智能電量計(jì)量終端平臺(tái)。本設(shè)計(jì)包括電量計(jì)量硬件終端和手機(jī)端APP 數(shù)據(jù)采集顯示平臺(tái)，在實(shí)際用電環(huán)境中測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)良好。

表1 為分別使用智能電量計(jì)量終端和某品牌計(jì)量插座對(duì)于實(shí)際用電參數(shù)的測(cè)試結(jié)果，其結(jié)果表明：智能電量計(jì)量終端的測(cè)試結(jié)果與計(jì)量插座的測(cè)試結(jié)果的誤差極小，且與實(shí)際用電情況相符合，表征感知層所設(shè)計(jì)電量采集模塊的正確性。

表1 智能電量計(jì)量終端和某品牌計(jì)量插座的實(shí)際電參數(shù)測(cè)試結(jié)果

表2 為智能電量計(jì)量終端平臺(tái)聯(lián)合調(diào)試的測(cè)試結(jié)果，其中包括電量數(shù)據(jù)到達(dá)平臺(tái)層的延遲時(shí)間、硬件終端響應(yīng)用戶下發(fā)的指令數(shù)據(jù)時(shí)間、手機(jī)端APP 更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間和顯示電量曲線的延遲時(shí)間。其結(jié)果表明：智能電量計(jì)量終端平臺(tái)可以較好地滿足實(shí)時(shí)性的需求，電量數(shù)據(jù)可以較快地傳輸?shù)狡脚_(tái)層進(jìn)行存儲(chǔ)，硬件終端可以快速響應(yīng)手機(jī)端APP 所發(fā)出的指令數(shù)據(jù)，平臺(tái)層數(shù)據(jù)可以快速在手機(jī)端APP 的界面進(jìn)行顯示，表征整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和實(shí)用性。

表2 智能電量計(jì)量終端平臺(tái)聯(lián)合調(diào)試的測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的四層技術(shù)架構(gòu)為依托，實(shí)現(xiàn)了智能電量計(jì)量終端硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)，其測(cè)試使用效果良好。

（1）針對(duì)于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的感知層，設(shè)計(jì)了電量參數(shù)計(jì)量模塊，可以準(zhǔn)確的測(cè)量6 種相關(guān)的電量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用電數(shù)據(jù)的分散性監(jiān)控。

（2）針對(duì)于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)層，使用GPRS 和NB_IoT 的雙模無(wú)線通信技術(shù)，輔以可以簡(jiǎn)化無(wú)線通信步驟的PPP 協(xié)議和數(shù)據(jù)加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，并且滿足了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

（3）針對(duì)于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的平臺(tái)層，通過移植MQTT 代理服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、快速檢索和集中統(tǒng)計(jì)分析。

（4）針對(duì)于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的應(yīng)用層，使用谷歌新近推出的移動(dòng)UI 框架Flutter，通過手機(jī)端APP 編寫，實(shí)現(xiàn)了電量數(shù)據(jù)的可視化顯示和用戶指令的便捷操作。

通過在實(shí)際用電環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了智能電量計(jì)量終端的實(shí)用性效果。