基于物联网Android平台的智能多用户电表系统设计

周克良+聂丛楠+邢素林

摘 要： 针对传统“单户单表”制的单户电能表功耗高、抄表量增大、管理繁琐、实时性差等弊端，开发一种基于物联网Android平台的智能多用户电表系统。该系统是以STM32F107为主控制器，采用专用计量芯片ATT7022实现对多用户的电量信息远程采集、数据显示存储，同时，通过Android SDK进行手机APP软件开发，方便用户实时查询，从而实现高效智能用电。测试结果表明，该系统实时性好，可移动性强，具有较高的應用价值。

关键词： 物联网； Android； 智能多用户电表； STM32F107； ATT7022； APP

中图分类号： TN915?34； TM933.4 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）04?0116?03

Abstract： In allusion to the disadvantages such as high power consumption， increase of meter reading quantity， cumbersome management and poor real?time performance of the traditional single user electric meter which uses single family single table system， an intelligent multi?user electric meter system based on Internet of Things （IoT） and Android is developed. With STM32F107 as the main controller， the special measuring chip ATT7022 is used to realize remote collection， data storage and display of power information of multiple users. The mobile phone APP software is developed by using Android SDK to realize user?friendly real?time query and efficient intelligent use of electricity. The test results show that the system has good real?time performance， strong mobility， and high application value.

Keywords： IoT； Android； intelligent multi?user electric meter； STM32F107； ATT7022； APP

0 引 言

物联网已逐渐走进智能电网的时代，传统的“单户单表”制电能表已不符合当今社会追求的用电管理智能化、采集自动化、能源节约化的理念[1]。目前，人们利用手持移动终端远程监控家居状况已成为一种迫切需求。用户可以不受地域限制，只要在无线网络覆盖的区域均可随时随地查看和管理电能表，实现信息全方位交互，以达到智能化、节能化的目的。

本文设计的智能多用户电表，采用物联网技术，不仅可“分户用电、集中检测”，有效提高电能计量准确性，缩小整体体积；还可通过手持端对用电信息实时监控，操作简单。

1 系统总体方案设计

依据物联网体系架构，本文系统主要由手持客户端、GPRS无线通信及多用户电能表三部分组成[2?3]。其中，多用户电能表部分即为感知层，主要是完成对电能信号实时采集、处理及显示存储；GPRS无线通信部分即为网络层，主要用于接收数据并通过无线网与手机客户端进行网络通信；手机客户端即为应用层，主要完成监测数据交互，便于电力部门的管理，方便用户使用。

2 系统硬件设计

2.1 多用户电能表设计

本系统采用模块化思想，由电源模块、信号采集处理模块、MCU控制模块、通信模块及显示、存储、时钟、按键等外围模块组成[4]。该系统采用互感方式将电路中的大电流电压信号转换成小信号经多路选择开关切换电压、电流采样输出信号，采用专用计量芯片ATT7022，实现对多用户电压电流信号采集，然后以STM32F107为主控制器，对采样数据进行处理。显示模块主要直观显示用户用电信息。RS 485通信模块实现与数据管理中心之间的数据传输和相关指令的接收。时钟模块为电能表提供时间基准，为实现多费率打下基础。存储单元实现电能的永久保存。按键模块用于用户循环查询用电信息。GPRS模块主要通过信息传输，实现用户通过手持端实时掌握用电信息变化。通断控制模块主要是用户实际使用负载功率值超过系统设定的最大值时，电能表能够控制继电器自动断电，持续15 s后，自动送电。电源模块由线路上 220 V的交流电首先通过降压变换，而后经过桥式整流，由稳压芯片得到所需要的电压，同时具备掉电自动切换到备用电池的功能，可以实现不间断供电，防止数据丢失。多用户电能表设计框图如图1所示。

2.2 GPRS通信模块

通信芯片采用SIMCom 公司的SIM900A，其属于双频GSM/GPRS模块，模块接收速率可达到85.6 kbit/s。另外，SIM900A内嵌 TCP/IP 协议，支持多IP连接，用户可通过扩展的 TCP/IP AT命令使用 TCP/IP 通信协议，方便用户进行数据传输[5]。完全采用SMT封装形式，性能稳定，体积小、性价比高且能够满足用户的多种需求。通信模块SIM900A通过串口与控制芯片STM32相连，SIM900A管脚TXD，RXD分别与STM32管脚USART_RX，USART_TX相连。endprint

3 系统软件设计

3.1 多用户电能表系统软件设计

由于涉及的设计程序量大、结构复杂，软件系统采用模块化的设计方案进行程序编写以实现正常、有序运行。由主程序和各功能模块子程序构成，功能模块包括用户选通子程序、电能计量子程序、显示模块子程序、存储模块子程序、按键模块子程序、通信模块子程序[6?7]。

通过对多路信号进行控制及选通实现多用户电能信号的采集，经计量芯片接入至控制器系统实现对多用户电能数字信号的处理及准确计量，并控制外围设备进行信息的集中传输显示和存储。系统不仅可以实现多用户用电量的精确计量又可以达到远程自动抄表和用电信息集中管理的目的，从而促进智能电网的实现，优化用户用电管理。其主流程图如图2所示。

3.2 Android监控终端设计

Google公司推出的Android操作系统是一款基于Linux内核的自由及开放源代码操作平台，可通过Android专属的软件开发工具包Android SDK进行手机APP软件开发[8?9]。Android系统构架采用了分层模式的概念，由上至下依次为应用程序层、应用程序框架层、Android函数库及运行时、Linux内核层，这种结构模式各层之间相互独立，减少相互依赖性，降低开发难度，便于更多开发。

Android手机客户端采用脚本语言完成界面设计，主要包含登录界面、功能界面、参数设置及控制界面。客户端功能模块分为五部分：用户信息、用电信息、支付情况、消息公告、附近发现。后台管理系统主要功能模块有四大部分：账户管理、数据管理、操作管理及数据查询统计。Android客户端与后台进行交互通信实现[10?11]。

用户通过手持端能够直观地查看当前用电量、当前电费余额、及当前电价等信息，针对用电情况，可合理计划用电，提高节能意识。系统登录界面、用电信息界面曲线图分别如图3、图4所示。

4 结 语

针对传统的电能表的弊端，本文提出的基于物联网Android平台的智能多用户电表系统，不仅能够采集多用户的用电参数，且用户可通过手持端实现对用电信息的查询、支付等功能，方便用户生活。该系统体积小、功能强、可移动性等特点，促进资源节约，推進智能化发展，具有较高的应用价值和社会经济价值。

注：本文通讯作者为聂丛楠。

参考文献

[1] 刘利彬.基于物联网技术的智能抄表系统的研究[D].吉林：东北电力大学，2014.

LIU Libin. Research on intelligent meter reading system based on Internet of Things technology [D]. Jilin： Northeast Electric Power University， 2014.

[2] 李慧，刘星桥，李景，等.基于物联网Android平台的水产养殖远程监控系统[J].农业工程学报，2013，29（13）：175?181.

LI Hui， LIU Xingqiao， LI Jing， et al. Aquaculture remote monitoring system based on Android platform of Internet of Things [J]. Journal of agricultural engineering， 2013， 29（13）： 175?181.

[3] 龚钢军，孙毅，蔡明明，等.面向智能电网的物联网架构与应用方案研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（20）：52?58.

GONG Gangjun， SUN Yi， CAI Mingming， et al. Research of network architecture and implementing scheme for the Internet of Things towards the smart grid [J]. Power system protection and control， 2011， 39（20）： 52?58.

[4] 彭龑，周成松.基于物联网的功率检测系统的设计[J].机械设计与制造，2013（1）：7?9.

PENG Yan， ZHOU Chengsong. The design of power testing system based on Internet of Things [J]. Machinery design and manufacture， 2013（1）： 7?9.

[5] 王宇航.基于蓝牙网络的家电控制系统[J].电子器件，2013，36（4）：523?526.

WANG Yuhang. Appliance control system based on Bluetooth network [J]. Chinese journal of electron devices， 2013， 36（4）： 523?526.

[6] 刘胜.基于DSP多功能电量测量仪的研究与设计[D].南昌：南昌航空大学，2013.

LIU Sheng. Research and design of multi?function electric quantity measuring instrument based on DSP [D]. Nanchang： Nanchang Hangkong University， 2013.

[7] 韩如成，孟繁兴.一种新型电子式电能表的研究[J].太原科技大学学报，2006，27（4）：251?255.

HAN Rucheng， MENG Fanxing. Study on a new electronic Watt?hour meter [J]. Journal of Taiyuan University of Science and Technology， 2006， 27（4）： 251?255.

[8] 雷晓敏.基于Android的智能家居手持终端的设计[D].南昌：南昌航空大学，2014.

LEI Xiaomin. Design of smart home handheld terminal based on Android [D]. Nanchang： Nanchang Hangkong University， 2014.

[9] 赵海涵.基于Android平台软件开发技术探析[J].电脑知识与技术，2014（36）：8684?8685.

ZHAO Haihan. Analysis of software development technology based on Android platform [J]. Computer knowledge and technology， 2014（36）： 8684?8685.

[10] 陈明明.基于Android的物联网家居系统研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2014.

CHEN Mingming. Study and implementation of IOT home system based on Android [D]. Xian： Xidian University， 2014.

[11] 王卫忠.面向物联网应用的电能信息采集终端研究与设计[D].广州：广东工业大学，2013.

WANG Weizhong. Research and design for electric energy acquisition terminal oriented to Internet of Things applications [D]. Guangzhou： Guangdong University of Technology， 2013.endprint