智能感知多功能互动服务终端设计

唐勇++张映苹++陈江++肖元++陈迎春++王晨丞

摘 要

国内电力服务应用终端包括集中器、采集器、集中充值终端、补写卡终端、台区识别仪等针对电力单一功能需求研究并实现的设备，大量设备的建设投入使用给施工、维护带来很大的不便，同时设备功能的单一和重复投入也造成一定资源浪费。本文对智能感知互动综合服务系统的需求进行了详细的分析，设计实现了一体化得智能电表多功能互动服务终端。研究成果包括：（1）设计实现集中实现智能电表购电.充值.写卡.信息查询等功能于一体的多功能服务终端；（2）建立远程购电写卡的安全机制.系统的网络接入安全措施，确保外网接入内网的安全性；网络充值的费用管理措施，通过技术和管理手段实现充值过程的安全管理；（3）对终端的关键技术难点进行了研究并提出了解决办法。

【关键词】智能终端 多功能交互式服务 嵌入式 ESAM安全模块

1 引言

随着市场化改革的推进、数字经济的发展、气候变化的加剧、环境监管要求的日趋严格与国家能源政策的调整，电力网络跟电力市场、用户之间的协调和交换越来越紧密。随着用户的服务需求变化、电力用户逐渐从电网的被动参与者向主动参与者转变，对电网的服务水平提出了更高的要求。用户希望获得更加及时准确的用电信息，也对电网的服务水平提出了更高的要求，

而目前面向大众用户的国内电力服务应用终端包括集中器、采集器、集中充值终端、补写卡终端、台区识别仪等针对电力单一功能需求研究并实现的设备，大量设备的建设投入使用给施工、维护带来很大的不便，同时设备功能的单一和重复投入也造成一定资源浪费。

目前发达国家发达城市主要采用电力宽带通信技术（电力载波宽带通信技术）、光纤通信技术、IP通道方式及无线通信技术进行用电信息采集技术的研究。如日本东京电力公司正在研究采用IP通道方式结合无线多跳通信技术的研究，来降低实施成本，提高采集成功率，本项目的主要研究内容为智能电表应用、智能电表应用扩展支持以及双向互动服务的多功能一体化服务终端，目前国际尚无研究和应用成果。

而国内电力公司主要为国家电网和南方电网，目前主要是基于电力载波的用电信息采集、基于广电网络的电力信息采集、基于小无线的电力信息采集。用电信息采集系统架构均基于主站、集中器、采集器、智能电表的分级管理模式。

国内电力服务应用终端包括集中器、采集器、集中充值终端、补写卡终端、台区识别仪等设备都是针对电力单一功能需求研究并实现，大量设备的建设投入使用给施工、维护带来很大的不便，同时设备功能的单一和重复投入也造成一定资源浪费。

近年来，有公司尝试将采集器和集中器整合，也在作相关的研究和试运行，但对于本项目中研究的将集中器、采集器、集中充值、补写卡、NFC近场通信、信息互动以及台区识别等功能的整合研究，国内尚无先例。

本文旨在研究设计一款针对本地费控智能电表的智能充值购电的一体化终端，实现购电、充值、写卡、余额查询及显示、电量查询及显示、停电公告查询及显示、所属台区编号和名称显示及其它信息查询等功能，方便客户服务，加强客户互动体验，提升客户服务水平；建立电表信息采集、远程充值、电价批量下发、信息发布的第二通道，实现数据的自由上传与下传，为客户提供互动服务实现基础支撑。最终实现集集中器、采集器、在线购电终端、补写卡终端、集中充值终端、台区识别、信息发布终端于一体化多功能互动服务终端。

通过研究一体化多功能互动服务终端整合现场各种电力服务终端，提供更加丰富的内容，提升客户服务体验，让智能电网更具智慧，同时设备的整合还可以大大降低整个电力现场服务终端设备的运维成本，避免碎片化。

2 智能感知多功能互动服务系统设计方案

智能感知多功能互动服务系统主要由四个子系统构成即多功能互动服务终端子系统、网络统一安全接入平台、信息服务支撑平台、电力业务子系统构成。其系统的总体架构图如图1所示。

该系统的物理结构图如图2所示，在终端的上行通道中使用了GPRS和LAN又接入支持，同时所有数据的交互都经国网安全接入平台，完成采集和业务数据的交互。

3 互动终端硬件设计

3.1 硬件设备架构设计

对终端的平台采用ARM+Android架构，通过整合大屏设计和外设控制板的IR、RS485、ESAM、PLC、NFC、IC卡读写模块、Audio模块来完成采集和互动功能。硬件架构如图3所示。

终端相关的主要部件主要设计指标如表1所示：

多功能互动终端的硬件设备主要功能。

3.1.1 远程通信功能

通过GSM/WCDMA模块直接与电力信息采集主站的连接，并实现数据的交互。另外也可以通过LAN接口加密连接到主站采集系统.

3.1.2 载波通信功能

通过终端自带的PLC插座，可以接插三相路由板载波模块，实现载波通信功能，实现与电表的数据交互。能实现远程电价下发，电费下发，通过PLC载波通信，直接把相关数据传入电表中。能实现电能表数据采集功能。

3.1.3 电能表RS485通信功能

通过自带的RS485通信接口，直接连接到电能表，实现数据交互，最大数量32只电能表

3.1.4 大屏幕显示功能，带触摸互动

支持本地信息的显示，所在小区名，用户名，电表序号，购电卡序号。

支持远程信息显示，购电次数，购电IC卡状态，上次购电金额，当前购电金额，当月用电量，当前阶梯电价，当前费率切换时间，当前电价。

支持购电操作：

支持功能切换操作，IC卡/NFC/PLC/红外/LAN/摄像头/RS485；

支持显示错误信息，提示用户下一步操作；

支持视频短片播放，广告/警告/操作培训。

3.1.5 语音功能

支持触摸按键声音，提示用户按键成功。

支持语音导航，引导用户办理相关业务。

支持警报，操作以外中断，工作不正常。

3.1.6 ESAM安全模块交互功能

可以通过ESAM模块完成与电能表安全验证，并传递有效数据。

3.1.7 购电IC卡的读写功能

可以实现对购电IC卡的文件读取，写入操作。从而实现本地信息查询，远程电费写入购电IC卡中。

3.1.8 NFC近场通信功能

通过带NFC功能的外设靠近终端感应区域，即可快速读取当前用户电能表数据。

3.1.9 二维码和条码扫描功能

通过扫描头，可以扫描二维和条码，实现业务的查询功能。

3.2 硬件接口设计

（1）GPRS/WCDMA/ 通信接口，支持一张标准的GSM卡插入；

（2）一组RS485通信接口；

（3）一组RS232接口；

（4）一组红外通信接口；

（5）支持一个PLC载波通信模块接入；

（6）支持NFC近场通信接口；

（7）支持一张购电IC卡读写接口；

（8）支持一个LAN接口，方便接入互联网或者专网；

（9）外设和核心板交互才用RS232通信接口实现，通信规约采用DLT645-2007规约；

（10）终端的数据文件，如视频文件，数据库文件。和终端主站的交互将采用FTP方式进行传输；

（11）NFC通信接口将采用标准的ISO14443A协议；

（12）网络接口LAN将采用标准的UDP协议进行数据传输。

4 终端关键技术研究

4.1 多模板兼容

整个系统是由多个功能模块组合在一起，共同完成的功能。需要协调各个模块的资源，硬件接口的兼容性，初始化时间，抗干扰性，以及容错性，外设越多，造成的干扰就越大，系统的可靠性就越低，需要通过反复测试与验证，确认和资源的平衡状态，确保各个模块正常工作。

应对措施：为了降低核心主板研发多模板兼容风险，我们选采购已经成熟应用的主板，在确定主板技术参数符合终端的技术标准后，完善各模块的驱动及功能。

4.2 ESAM安全模块数据交互

需要研究完整的数据安全认证流程，但都是在线有效数据，才能通过认证，这给研发测试阶段，带来不小的麻烦，模拟测试数据无法通过验证。需要计量中心协调资源进入测试与验证。

应对措施：协调计量中心、内江公司为终端研制提供必要的集中器、采集器、智能电表物料，完成终端的在线测试。

4.3 NFC近场通信

近距离通信存在主从关系，一般来讲手机自带的NFC是属于主机，被读标签属于从机，标签的内容一般是固定的，内部存储空间也很小，所以要实现大量数据传输，需要实现基于手机内置NFC芯片实现数据双向传送的功能，且NFC通讯数据采用加密方式传输。

应对措施：为保障NFC近场通信功能研究顺利完成，我公司已经计划在项目启动就开展NFC近场通信的通信功能研究和实验，特别是针对NFC的双向通信功能进行研究。

4.4 网络通信和数据安全性

出于安全考虑，系统不集成蓝牙和WIFI功能，因为这两种方式基本上把网络公开了，会对安全造成极大的潜在威胁，LAN口有线连接和GPRS通信则不会存在上述。它们走的数据信道都是通过了加密处理的专用VPN通道。

应对措施：在网络通道选择上，我们选择LAN口有线连接和GPRS通信避免网络公开，且网络通道为采集VPN通道或国网公司安全接入平台。一般数据传输通过加密处理，电费下载等智能电表数据传输遵循智能电表数据安全策略。

4.5 支付安全性研究

用户充值购电需要一套安全策略，包含用户信息保护、用户支付帐户、支付额度、电费下载等安全保护内容。

应对措施：

（1）避免信息泄露；

（2）避免用户输入敏感信息；

（3）避免大额支付；

（4）支付方式采用成熟第三方支付接口；

（5）不在终端上实现支付，支付方式使用手机App在线支付。

5 总结

本文设计实现了设计实现集中实现智能电表购电.充值.写卡.信息查询等功能于一体的多功能服务终端，讨论了多功能互动服务系统的设计方案、多功能互动终端的硬件设计、并对服务系统所涉及到的关键技术问题进行了分析并提出了相应的解决方法。论文中设计的终端能够有效的解决当前用户需求与当前的各种终端设备使用复杂的矛盾问题。具有很好的推广和实用价值。

本文中讨论的多功能互动终端后期将结合手机APP，实现集物业服务，信息发布，家庭安防，便民信息查询的智能社区增值服务，打造全方位的O2O社区生活平台。社区居民通过与多功能互动终端的互动不断提升了生活的质感，让生活变的更智能。同时智慧城市是下一代城市的发展方向，未来城市将遍布各种芯片和传感器，智能传感设备将城市公众设施物联成网，物联网与互联网完全连接和融合，将数据整合，为城市运营核心系统提供智能的基础设施。多功能互动终端将插上能源互联的翅膀，利用相关新技术成果建立水表、电表、暖表和气表四者溶为一体的能源互联控制系统，充分利用本项目已建成的电力系统通信信道，由多功能终端将采集到的水、电、气、暖表的数据上传到数据中心；各管理部门也将各自的命令数据通过多功能终端和能源路由器下发到各自的计量表。它跨越了水、电、气、暖管理分离的障碍，突破了水、电、气、暖各自独立管理的壁垒，在相关技术的支持下，实现了资源共享，完成水表、电表、暖表和气表的自动抄表控制工作。既弥补了目前抄表工作中存在的诸多缺陷和使用不便，又很好的解决了多个管理系统的融合问题，很好的满足了各自行业管理的现实需要，真正实现抄表收费、管理的自动化，为自动抄表系统开辟一条科学有效的新途径，促使城市中的基础设施等进入全新高速的智慧化发展阶段。

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作者简介

唐勇（1965-）男，重庆市人。研究生学历。高级工程师，先后从事电网调度，电力营销，农电管理工作。曾担任四川省电力公司营销部电费电价处长，现任内江供电公司副总经理。

作者单位

1.内江供电公司 四川省内江市 641000

2.四川省电力公司计量中心 四川省成都市 610045