网络电量表和反向节电控制系统的研究

Research on the Network Meter of Electrical Quantities

and the Energy-saving Reverse Control System

杨焕峥1,2　杨国华1,2　欧阳乔1,2　徐华军1,2　崔业梅2

(江苏省无线传感系统应用工程技术开发中心1，江苏 无锡　214153；无锡商业职业技术学院物联网技术学院2，江苏 无锡　214153)

网络电量表和反向节电控制系统的研究

Research on the Network Meter of Electrical Quantities

and the Energy-saving Reverse Control System

杨焕峥1,2杨国华1,2欧阳乔1,2徐华军1,2崔业梅2

(江苏省无线传感系统应用工程技术开发中心1，江苏 无锡214153；无锡商业职业技术学院物联网技术学院2，江苏 无锡214153)

摘要：以乐联网服务器和本地网关为基础，对TCP/IP数据双向通信进行了研究，提出了网络电量表和反向节电控制系统。通过传感器采集电气设备信息(电压、电流、有功、无功功率等)，并传递给网关；网关和路由模块相连，将数据通过无线方式传送给乐联网服务器；用户可以通过PC机远程登录乐联网网站，观看电气设备信息实时数据变化。在乐联网网页上，设有的按键分别远程控制电气设备的开启和关闭，实现节能控制。用户还可以使用短息、微信等手段对系统进行反向控制。系统具有广泛的应用价值。

关键词：网关TCP/IP网络电量表节能反向控制

Abstract：With LEWEI50 server and local gateway as the basis, the TCP/IP bi-directional data communication is researched，the network meter of electrical quantities and the energy-saving reverse control system is proposed. The information (voltage, current, active power reactive power, etc.) of electrical apparatus is collected through transducers, and then transmitted to the gateway; the gateway is connected with the route module, the data are sent to LEWEI50 server via wireless mode. The users can remotely login the website of LEWEI50 through PC to observe real time data variation of the information of electrical apparatus, on LEWEI50 website, there are push buttons for remotely controlling ON and OFF of the electrical apparatus to achieve energy saving control. In addition, there are measures of SMS or Wechat for reversing control, the system possesses widely applicable values.

Keywords：GatewayTCP/IPNetwork coulomb meterEnergy-savingReverse control

0引言

为了积极响应学校建设智能型、节能型、环保型校园的倡议，对能源计量开展了相关的研究工作，能够实现电能测量与节电控制，相关电能数据可以在乐联网在线实时显示并做到节电反向控制，实现校园重点区域的用电监控。本文给出了这种节能远程监测与控制的方法并付诸于实现，不局限于电器设备的电能远程监测与控制，改变传感器还可实现诸如农业温度、湿度等参数的远程监测与控制，具有广泛的应用价值。通过网关设备和乐联网，可以实时观察传感器数据的变化情况，提高工作效率。通过乐联网的反向控制，可以通过一些现有的平台，控制负载的变化(可以使用网页、短息、微信等常用的通信手段进行反向控制)。

1系统总体结构和功能

系统总体框图如图1所示。

图1　系统总体框图

系统以乐联网网站和本地网关为基础，实现乐联网和网关的TCP/IP数据双向通信。通过传感器采集电气设备信息(电压，电流，有功、无功、视在功率等参数)，然后传递给网关；网关和无线路由模块相连，将数据通过无线方式传送给乐联网服务器，用户可以通过PC机远程登录乐联网网站，观察电气设备信息实时数据变化。设置的按键分别可以远程控制电气设备关闭和开启，实现节能控制。

2乐联网数据上传过程研究

首先打开乐联网(www.lewei50.com)网站，注册用户名、密码后登陆，在个人信息里能看到系统分配的32位用户密匙(Userkey)，例如：“ca2bee371e9d4ddf97ae87ba71c0ee21”。其次，在“我的网关”里添加一个新的网关，网关标志可以设为“01”。

接着，在“我的设备”里添加一个新的设备，取名电灯电压有效值，设备标志“1”，属于网关“01”。乐联网上传数据过程示意图如图2所示，网关设备为客户端，与乐联网服务器建立TCP/IP链接，服务器地址为Tcp.lewei50.com(42.121.128.216)，端口号：9 960。

图2　乐联网上传数据过程示意图

为了弄清乐联网数据上传机制，使用TCP/IP网络调试软件进行模拟数据上传和反向控制。假设传感器采集的电器设备电压有效值是233.333 3 V，调用乐联网API(UpdateSensors),推送JSON数据到乐联网服务器。在TCP/IP调试软件的发送数据框里，填写如下内容，{"method":"update","gatewayNo":"01","userkey":"ca2bee371e9d4ddf97ae87ba71c0ee21"}&^!{"method":"upload","data":[{"Name":"1","Value":"233.3333"}]}&^!点击发送[1]。乐联网服务器端会立刻予以响应，最后登录乐联网网页平台，查看上传的数据，发现数据上传成功。

3乐联网长链接反向控制研究

乐联网长链接反向控制如图3所示，只要能上互联网，就可以使用长链接反向控制，网关设备作为客户端，必须主动连接乐联网TCP/IP服务器，不连接注册，无法使用。如果要实现平台随发，网关设备立即收到，网关设备必须与乐联网TCP/IP服务器之间一直保持连接，即发送注册包和心跳包，适用于GPRS。

在TCP/IP调试软件中，建立TCP/IP客户端，服务器地址为Tcp.lewei50.com(42.121.128.216)，端口号：9 960，这也是长链接控制TCP/IP服务器。链接到TCP/IP服务器后，发送注册包，向TCP/IP服务器说明此网关的身份。注册包信息为{"method":"update","gatewayNo":"01","userkey":"ca2bee371e9d4ddf97ae87ba71c0ee21"}&^!其中,&^!为结束符，用于判断是否完整包，与TCP/IP服务器通信，发送和接收末端都要加&^!。注册包需要每1 min发送一次，否则TCP/IP服务器将会断开网关。当乐联网平台给TCP/IP服务器推送控制命令时，TCP/IP服务器会返回网关离线的响应。对于网关设备来说，务必保证每分钟内发送一次TCP心跳包，以保持与TCP/IP服务器的TCP/IP链路完好，一般40 s为宜[2]。

图3　乐联网长链接反向控制图

TCP服务器收到控制指令后，将指令转换为如下格式发给网络终端。{"method":"s end","gatewayNo":"01","userkey":"ca2bee371e9d4ddf97ae87ba71c0ee21","f":"writeSerial","p1":"on"}&^!意思是向Userkey的用户，通过1号网关，写入p1:on。网络终端接收到这个指令后，应该向TCP服务器，作出如下响应：{"method":"response","result":{"success ful":true,"message":"Write serial successful 0"}}&^!。TCP/IP服务器收到网关设备的响应后，再对乐联网网页平台作出响应。这个过程是自动的，不需要人工干预。网络终端从TCP/IP服务器发出的指令串中取出有用的信息，用来控制下一级设备。

对于网络终端来说，首先建立连接发送注册包，其次等待接收指令，最后接收到指令后，作出对TCP/IP服务器的响应和对下级设备的控制。

4乐联网UPNP反向控制研究

UPNP反向控制必须有公网IP或路由端口映射的配合，网关设备作为服务器端，平台随时发出控制指令，网关设备随时收到，不适用GPRS。UPNP反向控制适用于有公网IP的用户，或者说，PC经过路由器连到公网IP上，在路由上设置端口映射，网络上的其他PC可以访问到该PC。UPNP反向控制过程如下：登陆乐联网平台，设置网关。网关为可控网关，API地址为http：//192.168.1.5:5555,5555为路由器开的端口映射，当路由器收到5555端口数据，就会转发给PC。填写好公网IP，设置好后使用TCP调试软件，建立一个TCP服务器。在乐联网平台的智能物联中，建立控制指令，发送指令，TCP调试软件中收到来自平台的控制命令；收到命令后，要对平台进行一个响应，否则平台会报错即“控制网关API访问出错”；网络终端提取指令，控制下一级设备。乐联网UPNP反向控制流程：Tcp.lewei50.com:9 960-> TCP/IP网关设备->传感器。①网络终端为服务器模式，由乐联网平台直接进行控制；②取控制指令，进行控制。

5设备连接、软件设计与系统测试

主程序流程图如图4所示。

图4　主程序流程图

电能数据采集电路以ATT7022电能数据采集芯片为核心，采集电器设备的电压，电流，有功、无功、视在功率等参数[3-4]。网关设备使用意法ST公司STM32F103系列的ARM芯片为核心，以韩国微知纳特公司的W5500型号芯片全硬件实现TCP/IP协议栈[5-6]。WiFi模块采用海凌科HLK-RM04 WiFi路由模块。反向控制采用DC-AC继电器模块实现ARM芯片3.3 V直流信号控制交流220 V电路的通断。电能数据采集电路与网关设备相连，网关设备与WiFi模块相连，同时又与DC-AC继电器模块相连。电器设备的电压，电流，有功、无功、视在功率等数据在乐联网网页平台显示[7-8]，通过乐联网网页平台按键长链接反向控制电灯的通断。

软件系统使用C语言进行编程，采用Keil uVision4 for ARM开发环境编译。主程序流程主要包括STM32系统初始化、W5500配置、初始化ATT7022C、写校表寄存器、读电表参数、给乐为物联服务器发数据帧子程序、接收乐联网反控数据帧、判断是关闭还是开启等子程序。

网关给乐为服务器发数据帧子程序如下所示，分登录Lewei_Login()和上传Lewei_Upload()两部分。

void Lewei_Login()

{char userkey[32] = "ca2bee371e9d4ddf97ae87ba71c0ee21";

char gatewayNo[] = "01";

unsigned char i;

sprintf((char*)ssbuff,"{"method":"update","gatewayNo":"%s","userkey":"%s"}&^!",gatewayNo,userkey);

S0_SendOK=1;

∥Process Socket IR register

Process_IR0();

∥Process Socket SR register

i=Read_Byte_W5500(Sn_SR(0));

if(i==0)

Socket_Connect(0);

else if(i==SOCK_ESTABLISHED)

Loop_Back();

memset(ssbuff,'',strlen((char*)ssbuff));

}

void Lewei_Upload()

{

unsigned char i;

sprintf((char*)ssbuff,"{"method":"upload","data":[{"Name":"%s","Value":"%f"}]}&^!",devname,value);

S0_SendOK=1;

∥Process Socket IR register

Process_IR0();

∥Process Socket SR register

i=Read_Byte_W5500(Sn_SR(0));

if(i==0)

Socket_Connect(0);

else if(i==SOCK_ESTABLISHED)

Loop_Back();

memset(ssbuff,'',strlen((char*)ssbuff));

}

网关接收乐联网反馈数据帧，将接收到的乐联网反馈数据保存在一维数组S_Buffer[]中，并对S_Buffer[104]判断。如果是字母“f”，说明反控信息是“off”。如果是字母“n”，说明反控信息是“on”，从而通过GPIO_SetBits和GPIO_ResetBits控制电气设备的关闭和打开。

Lewei_Login();

Lewei_Upload();

Lewei_response();

S_rx_process(0);

∥读取接收到的数据

if(S_Buffer[104]=='f')

GPIO_SetBits(GPIOA, A_OUTPUT0);

if(S_Buffer[104]=='n')

GPIO_ResetBits(GPIOA, A_OUTPUT0);

Delay_MS(50);

在能源计量方面前期研究工作使用的硬件TCP/IP协议W5200传输芯片存在长时间工作发热较严重问题，韩国微知纳特公司于2013年推出高性能网络芯片W5500。这款芯片具有更低的工作温度和功耗，所以选用该芯片解决原有问题，并完成原有W5200到W5500的程序移植工作。

另外，前期工程中心在能源计量方面做了较多工作，但在反向节电控制方面研究的还不够深入，所以对反向节电控制系统进行深入研究，实现校园示范区域电量数据的乐联网示范上传。同时实现网络电量表乐联网监控界面的设计，对现有电能测量涉及的WiFi、Modbus、GPRS等功能通过深入研究，进一步获得完善。采用平板电脑的HDMI口连接大屏幕LCD液晶显示器实现电能测量与节电控制成果的乐联网在线展示与操作示范。

6系统拓展

在现有的乐联网网络电量表和反向节电控制系统基础上进一步拓展，如图5所示。采用成品智能电表模块，模块提供一个RS- 485/232接口，接着通过ModBus协议来传输电能等信息。

图5　网络电量表与反向节电控制系统拓展图

Modbus网关、协调器节点两者通过以太网和本地监控计算机相连，本地监控计算机实现所有传感数据实时显示和保存功能，同样本地监控计算机也可按此通道回发控制信号。Modbus网关、协调器节点两者也可以通过以太网和GPRS网关相连，由GPRS网关通过无线传输的方式，经GPRS、Internet网络向远程监控计算机发送传感数据。远程监控计算机实现所有传感数据实时显示和保存功能，同样远程监控计算机也可按此通道回发控制信号。以太网电能数据可以通过

TCP/IP协议通过Internet网络传给乐为物联服务器，相关电能数据可以在线实时显示并做到通过乐联网控制界面进行节电反向控制[9-10]，可以满足更多功能需求。

7结束语

本文对网络电量表和反向节电控制系统的总体结构和功能，乐联网数据上传，长链接和UPNP反向控制，设备连接、软件设计，系统测试与拓展进行了研究。系统特点在于通过网关设备和乐联网，可以实时观察传感器数据的变化情况，提高工作效率。通过乐联网的反向控制，可以通过一些现有的平台，控制负载的变化(可以使用网页、短息、微信等常用的通信手段进行反向控制)。系统优点在于不局限于电器设备的电能远程监测与控制，改变传感器还可实现诸如农业温度、湿度等参数的远程监测与控制，具有广泛的应用价值。

参考文献

[1] 乐联网.数据上传tcp方式最直接[EB/OL].[2013-07-10].http://www.lewei50.com/dev/doc/152.

[2] 乐联网.乐联网TCP长连接反向控制被控端开发指南[EB/OL].[2013-05-01].http://www.lewei50.com/dev/doc/155.

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[4] 郑宇.自动抄表系统中电能表的设计[J].测控技术,2011,30(11):8-11.

[5] 谢汉涛.基于ARM的电能质量监测系统的设计与实现[D],武汉:长江大学,2013.

[6] 夏文,冯国伟,夏武.基于W5200的电能质量远程监控系统设计[J].电气技术,2012,12(8):88-91.

[7] 陈亚科,曹闹昌,王加祥,等.基于ADE7753和MSP430单片机电能表的设计[J].自动化仪表,2011,32(4):66-70.

[8] 孙攀,张广明.基于DSP的电能质量监测系统设计[J].自动化仪表,2012,33(1):82-86.

[9] 屈百达,陈旎璐,张林俊,等.实时分段三相负荷计量装置研制[J].自动化仪表,2009,30(5):56-59.

[10]姚力,李少腾,胡瑛俊，等.一种智能电能表通信可靠性测试方法及系统[J].电测与仪表,2013,50(3):94-96.

中图分类号：TM933

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503014

江苏省无线传感系统应用工程技术研究开发中心基金资助项目(编号：SYKJ14E03)；

无锡商业职业技术学院基金资助项目(编号：SYKJ13D14)。

修改稿收到日期：2014-10-17。

第一作者杨焕峥(1980-)，男，2007年毕业于南京理工大学电子与通信工程专业，获硕士学位，讲师；主要从事电子仪器仪表、通信与嵌入式应用方面的研究。