符長友+雷文+藍(lán)集明+李行

摘 要： 針對當(dāng)前家庭中水表、電表無法實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行與統(tǒng)一管理，提出并采用多種傳感器、4G無線通信、WiFi無線通信、嵌入式微控制器等先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計出一款基于4G的多功能一體化表。詳細(xì)闡述了其系統(tǒng)構(gòu)成、硬件與軟件設(shè)計等。實(shí)踐表明，基于4G的多功能一體化表不僅能實(shí)時在線監(jiān)測用戶的水、電相關(guān)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)階梯計費(fèi)，而且還有助于在自來水力公司、電力公司、用戶三者間構(gòu)建起全新的供用水、電關(guān)系，從而將有效促進(jìn)社會資源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步提升。

關(guān)鍵詞： 多功能一體化表； 物聯(lián)網(wǎng)； WiFi； 4G； 微控制器

中圖分類號： TN711?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0127?04

Design of integrated multifunctional meter based on 4G network

FU Changyou1，2， LEI Wen1， LAN Jiming1， LI Hang1

（1. School of Computer Science， Sichuan University of Science & Engineering， Zigong 643000， China；

2. Sichuan Academician （Expert） Workstation， Sichuan University of Science and Engineering， Zigong 643000， China）

Abstract： Since the current domestic water meter and electricity meter can′t realize the efficient operation and unified treatment， the multi?sensor， 4G wireless communication， WiFi wireless communication， embedded microcontroller and advanced IoT （Internet of Things） technology are used to design a integrated multifunctional meter based on 4G network. The system composition， working principle， hardware design and software design of the meter are described in detail. The practice result shows that the integrated multifunctional meter based on 4G network can monitor the relevant parameters of users′ water consumption and electricity consumption to realize ladder billing， and is conducive to construction of the new water?electricity supply and demand relation among hydraulic company， electric power company and user to promote the change of the whole social resources and consumption structure effectively.

Keywords： multifunctional and integrated meter； Internet of Things； WiFi； 4G； microcontroller

0 引 言

目前我國家庭含有多種表計，如水表、電表、氣表等，它們各自為政，無法實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)行與統(tǒng)一管理。為此住建部要求水、電、氣等多種計量表應(yīng)高度集成、有效整合，同時還迫切要求有一款全新的、一體化的多功能智能表計，以實(shí)現(xiàn)水、電、氣的精確計量與高效管理[1?5]。

隨著對供水、供電方面的深入研究，設(shè)計出一款基于4G的多功能一體化表，以實(shí)現(xiàn)用戶用水、用電的精準(zhǔn)計量與階梯計費(fèi)。同時也有助于自來水公司、電力公司對水網(wǎng)、電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息化、自動化、智能化，并在自來水公司、電力公司與用戶三者間構(gòu)建起全新的供用水、供用電關(guān)系，從而促進(jìn)社會資源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的深層次轉(zhuǎn)變，提升資源利用率、減少浪費(fèi)，進(jìn)而高效推動低碳水力、電力，低碳能源以及推動低碳經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，全面提升自來水公司、電力公司的供水、供電管理水平、服務(wù)水平、互動化水平[3?9]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與工作原理

基于4G的多功能一體化表由多個一體化表與資源管理中心（軟件）構(gòu)成，通過4G實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，這樣便于自來水公司、電力公司、用戶及時查詢、更新及快速掌握水、電資源使用情況及最新信息，如圖1所示。一體化表將實(shí)現(xiàn)水量、電量的實(shí)時感知與智能處理，并對用戶的用水、用電自動實(shí)行階梯計費(fèi)、實(shí)時在線顯示、信息及時更新。同時將用水、用電信息自動保存并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過4G以短信方式傳送給資源管理中心。一體化表也可接收資源管理中心發(fā)來的控制指令，并執(zhí)行相關(guān)的控制操作。此外，用戶可采用短信或WiFi方式通過一體化表來主動查詢用水用電及相關(guān)費(fèi)用等信息，也可通過短信或?yàn)g覽資源管理中心的相關(guān)Web頁面來查詢所關(guān)注的信息等。

一體化表由水量采集終端與信息處理單元構(gòu)成，二者通過WiFi無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，如圖2（a）所示。水量采集終端實(shí)現(xiàn)水流量實(shí)時采集，并將所采集的信息通過WiFi發(fā)送給信息處理單元。同時也可接收信息處理單元傳來的控制命令，并執(zhí)行相關(guān)的控制動作。水量采集終端由微控制器、流量傳感器、電磁閥、溫度傳感器、實(shí)時時鐘、WiFi無線通信等模塊組成，如圖2（b）所示。endprint

信息處理單元實(shí)現(xiàn)電能參數(shù)的實(shí)時感知與在線采集，以及用電量、用水量的階梯計費(fèi)與實(shí)時自動顯示。同時將所采集的電能參數(shù)、水流量參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比、研判。如果某項(xiàng)參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)值，則產(chǎn)生故障預(yù)警并自動及時斷電、斷水，以保護(hù)用戶家庭設(shè)備。同時把故障信息以短信方式及時告知用戶。此外，信息處理單元還把用戶的用水、用電信息快速向資源管理中心發(fā)送，當(dāng)然也可接收資源管理中心或用戶發(fā)來的控制命令或查詢命令，并執(zhí)行其相關(guān)的控制操作。因此信息處理單元由電能參數(shù)傳感器、高性能嵌入式微控制器、WiFi、實(shí)時時鐘、4G、LCD顯示、繼電器等組成，如圖3所示。

2 關(guān)鍵點(diǎn)電路設(shè)計

2.1 WiFi無線通信模塊

WiFi無線通信模塊采用小型、低功耗、高性能的SZ12?01?LPW。該模塊集成了IEEE 802.11b/g/n，射頻以及一個可運(yùn)行WiFi網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，其內(nèi)置512 MB的閃存，波特率為1 200～115 200 b/s，采用3.3 V供電。工作于ISM 2.4 GHz，可對14個信道分別進(jìn)行選擇或域限制，通信距離[10]為200 m。其電路設(shè)計如圖4所示。

2.2 電能參數(shù)傳感器

電能參數(shù)感知采用ATT7059S，是一款帶UART接口的單相多功能電能計量芯片，其工作電壓為5.0 V。該芯片的特征為：三路22位Σ?Δ ADC；支持5 000∶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2路計量通道的有功功率、無功功率，以及電壓頻率，電壓電流相位[11]。其電路設(shè)計如圖5所示。電壓信號采集從V3P，V3N接入，電流信號采集從V1P，V1N接入。

2.3 4G無線通信模塊

4G通信采用尺寸小、質(zhì)量輕的高性能MC7700模塊，其支持LTE，DC?HSPA+，HSPA+，HSDPA，HSUPA，WCDMA，GSM，GPRS，EDGE網(wǎng)絡(luò)，具有100 Mb/s的下載速度和50 Mb/s上傳速度，集成了 GPS性能，支持Linux與Windows系統(tǒng)，可采用PCI?E或USB接口與外部微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[12]。在具體設(shè)計中，采用簡單的USB接口對MC7700進(jìn)行讀寫控制操作，如圖6所示。MC7700模塊的USIM_rst，USIM_data，USIM_clk分別與UIM卡座的U_RST，U_DATA，U_CLK引腳相連。

2.4 嵌入式微控制器

由于嵌入式微控制器需與電能參數(shù)感知、WiFi、4G、存儲MMC卡等多個模塊通信，因此嵌入式微控制器需具有UART，USB，SPI等多種接口。于是選用基于ARM Cortex?M4內(nèi)核的LPC54113J128，其帶有128 KB FLASH，96 KB SRAM，含4個UART接口、2個SPI接口、1個USB接口，I/O口可多達(dá)48根，工作頻率可高達(dá)100 MHz，同時還含有1個實(shí)時時鐘RTC[13]，以保證水、電數(shù)據(jù)的高實(shí)時性與高效性。此外，為了確保長時間的信息數(shù)據(jù)安全并方便實(shí)時存儲，采用小巧的MMC卡來存儲用戶的水、電等相關(guān)數(shù)據(jù)。其電路設(shè)計如圖7所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 電能參數(shù)感知程序

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

void Write_SPI（unsigned char Com， unsigned long data） { SPI_CS=1； //SPI總線使能

SPI_SCLK=0；

SPI_CS=0；

Com|=0x80； //發(fā)送1 B的命令字

for（n=7；n>=0；n??）

{ SPI_SCLK=1；

SPI_DIN=Com.n；

SPI_SCLK=0；

}

for（n=23；n>=0；n??） //讀取24位電能參數(shù)數(shù)據(jù)

{ SPI_SCLK=1；

SPI_DIN=data.n；

SPI_SCLK=0；

} SPI_CS=1；

…

3.2 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：

unsigned char phone_1[ ]="＼r＼n"；

strcpy（（char *）phone_0，"AT+CMGS=＼"）；

strcat（（char *）phone0，（char *）phone_num）；

strcat（（char *）phone0，（char *）phone_2）；

uart1_send_s（（unsigned char*）phone_0，rece）；

uart1_send_s（s，rece）； //s為要發(fā)送的字符串

while（UTRSTAT2&（0x3<<1））！=（0x3<<1）； //等待發(fā)送

UTXH1=0x1a； //發(fā)送短信

uart1_send_s（（unsigned char*）"AT+CMGR=18＼r＼n"， rece）；

…

3.3 WiFi無線通信子程序

WiFi無線通信子程序部分代碼如下：

AT+SZ_NETWORKTYPE=STA/r/n；

AT+SZ_SECURITY=OPEN/r/n；

AT+SZ_WEPINDEX=0A/r/n；

AT+SZ_DHCP=ENABLE/r/n；

AT+SZ_IP_DEFAULT=192.169.23.12/r/n；endprint

AT+SZ_UARTDATA_CHECK=ODD/r/n；

AT+SZ_UARTDATA_STOPBIT=1/r/n；

AT+SZ_DATELENGTH=10/r/n；

AT+SZ_SAVE_CONFIG=SAVE/r/n；

…

4 測試數(shù)據(jù)

由P=UIcos φ，Q=UIsin φ，S=UI，其中φ為相電壓與相電流間的相位差角，即可計算出系統(tǒng)的有功功率、無功功率與視在功率[5]。采用廣東三雄極光照明股份有限公司生產(chǎn)的25 W/230 V，40 W/230 V，60 W/230 V白熾燈泡作為系統(tǒng)的被測對象，同時又采用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行測試。實(shí)測儀器為廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司生產(chǎn)的功率分析儀PA6000。其測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 多功能一體化表在不同負(fù)載下的監(jiān)測與儀器實(shí)測對比表

注：U為電壓；I為電流；P為有功功率；Q為無功功率；S為視在功率；

E為耗電量；f為線頻率

5 實(shí)物圖片

基于4G的多功能一體化表實(shí)物工作如圖8所示。

6 結(jié) 論

基于4G的多功能智能一體化表不僅能高效地實(shí)現(xiàn)水、電的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時在線顯示、階梯式計費(fèi)與供水、供電的管理模式，方便用戶選擇最適宜的用水、用電方式，而且還能非常高效地控制、監(jiān)管水、電資源，以節(jié)約有限的水、電資源。此外，基于4G的多功能智能一體化表還在自來水、電力公司與用戶三者之間構(gòu)建起全新的供用水、電關(guān)系，從而將有效促進(jìn)社會資源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的巨大轉(zhuǎn)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低碳、生態(tài)節(jié)約型社會。

參考文獻(xiàn)

[1] 符長友，馬鋼，周苗苗.基于物聯(lián)網(wǎng)的高級量測體系的設(shè)計[J].電測與儀表，2012，49（7）：45?48.

[2] 符長友.大型機(jī)電設(shè)備電氣參數(shù)監(jiān)測與故障診斷裝置[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（5）：136?138.

[3] 藍(lán)集明，符長友，周苗苗.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2013，21（7）：2018?2019.

[4] 符長友，雷志勇，李行.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能插座的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（8）：122?125.

[5] 符長友，何俊鵬，楊鑫.基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)電設(shè)備實(shí)時監(jiān)測與診斷系統(tǒng)[J].四川理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，27（5）：21?28.

[6] 王思彤，周暉，袁瑞銘，等.智能電表的概念及應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（4）：17?23.

[7] 孫慶青.大規(guī)模智能水表市場即將開啟[N].中國建設(shè)報，2014?02?11（6）.

[8] 許高陽，宣筱青，司慶華，等.云計算智能電表在電力系統(tǒng)的應(yīng)用[J].電力信息化，2012，10（10）：114?118.

[9] 趙羨龍，李曉林.智能電表在智能用電中的重要作用[J].沈陽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，24（6）：26?29.

[10] 上海順舟智能科技股份有限公司.SZ12?01?LPW WiFi模塊產(chǎn)品手冊V1.0[EB/OL].[2016?05?20].http：//shuncom.com/filedownload/4217.

[11] 鉅泉光電科技（上海）股份有限公司.ATT7059S用戶手冊V1.6[EB/OL].[2014?12?01].http：//www.hitrendtech.com/download/ATT7053BU_ATT7059S_ATT7059C%E7%94%A8%E6%88%B7%E6%89%8B%E5%86%8CV1.6.pdf.

[12] Sierra Wireless， Inc. Product technical specification & customer design guidelines of AirPrime MC7700 Ver. 8 [EB/OL]. [2010?02?11]. http：//www.alibaba.com/product?detail/Sierra?Wireless?AirPrime?MC7700?module_1786057923.html

[13] NXP Semiconductors. Product datasheet of LPC5411x Rev.1.2 [EB/OL]. [2011?05?23]. http：//cache.nxp.com/documents/data_sheet/LPC5411X.pdf？pspll=1.endprint