实现电能计量的物联网通讯模块设计与研究

孙健 易欣 姚鹏 曾纬 袁铭敏

摘   要：针对电能计量装置检测电能表通讯技术的不足，提出新型的电能计量物联网通讯方案，并设计出新型的物联网通讯模块。该模块设计结构合理，适用范围广，满足多种不同类型的物联网通讯模块的需要，并且该模块内部设置有加密单元，能够提高数据传输的安全性能。还采用ZigBee无线传感器网络和GPRS实现无线通讯远程监控，通过在无线网络中的ZigBee/GPRS无线数据集中器节点中，基于GPRS模块与远程计算机建立TCP/IP连接，与Internet网络构成信息网络。实验表明，采用本设计的物联网通讯模块进行数据通讯能够提高电能表检测精度，提高了电能表数据检测的可靠性。

关键词：电能计量;物联网;ZigBee;GPRS模块

中图分类号： TP391                                             文献标识码：A

Design and Research of IoT Communication Module

for Realizing Energy Metering

SUN Jian?，YI Xin，YAO Peng，ZENG Wei，YUAN Ming-min

（State Grid Beijing Electric Power Institute，Beijing 100075，China）

Abstract：Aiming at the deficiencies of electric energy metering device in detecting electric energy meter communication technology，a new energy metering IoT communication scheme was proposed，and a new type of Internet of Things communication module was designed. The module has reasonable design structure and wide application range，and meets the needs of many different types of IoT communication modules，and the module is internally provided with an encryption unit，which can improve the security performance of data transmission. ZigBee wireless sensor network and GPRS are used to realize wireless communication remote monitoring. Through the ZigBee/GPRS wireless data concentrator node in the wireless network，the TCP/IP connection is established with the remote computer based on the GPRS module，and the information network is formed with the internet network. Experiments show that the data communication using the IoT communication module designed can improve the detection accuracy of the energy meter and improve the reliability of the energy meter data detection.

Key words：energy metering;Internet of Things;ZigBee;GPRS module

近年來，随着我国科技发展速度的不断加快，通讯装置的不断改进与升级[1-3]，通讯装置不仅仅用于简单的信息传输媒介，同时也运用于其他各个领域[4-5]，诸如电能计量技术领域，通过通讯模块将电能计量装置检测电能表的数据传递到计算机和上层管理系统，俗称物联网[6-7]。物联网技术是基于现有的互联网技术，但是涉猎广泛，在多个领域均有应用。通过通讯模块能够实现对智能电能表检定数据的通讯，实现电能表检定数据的远程管理是目前电测领域中急需解决的问题[8-9]。

目前现有的通讯模块只是进行简单的信息传输，数据安全性能较差[10]，难以实现电能表检定数据的安全、远距离传输[11-14]，使得电能检定人员难以远程监控、管理电能表检定数据。设计出一种新型的物联网通讯技术传输方案，不仅能够实现数据的远距离传输，还使数据的安全性能大大增加。

1   通讯方案设计

通过对电能计量的物联网通讯方案进行设计与研究，设计出能够进行物联网通讯的传输方案，如图1所示。在本系统方案设计中，可将其分为数据应用层、数据通讯层和数据检测层。通过该系统设计实现电能表检定系统的电能检测的自动化、网络化、实时化，并且能够实现电能表自动化检定系统数据通讯的最优化、智能化和信息化。本系统中的通讯方案采用物联网技术实时检测底层设备（检测系统各个检定单元）的运行状态、耗能状态，能够及时、准确地掌握电能使用状况，支持能效优化与节能改造，综合分析耗能情以便合理地进行资源配置，优化生产流程，保障检定系统的有效运行。

在数据检测层中，检测设备底层是直接从电能表自动化检定系统现场中采集数据，比如单相电能表、三相电能表、功率表等工作状态数据，其主要负责能源用量的实时检测，反映线路中的最原始的能耗数据或者其它运行数据。检测系统主要包含物流输送系统、机器人、耐压检测、外观检测、误差检定装置、机器人上下料系统、PLC控制系统、表位单元等检测单元，每个检测单元均有电能消耗。数据管理中心层用于对整个辖区内的电能表自动化检定系统及其组件进行能耗数据采集，采用符合国家电能计量能耗监测技术将电能检测装置接入电能表自动化检定系统及要检测的地方，在具体操作中可使用功率表，比如将功率表接入在电能输出端以便检测电能输出的功率，接入在周转箱输送系统处以检测其处的功耗，接入在机器人处以检测机器人处功耗，以及接入在检定输送线、PLC控制电源、检定装置、各个检测表位等，这个就可以得出各个不同单元处的功耗，由已知的总输出功率和各个单元处的功率，可得出各个单元组件功耗，通过各个单元的功耗，可对电能表自动化检定系统进行整体的资源配置和合理的调整，及时节约能源和成本。在数据管理中心层可以采用B/S构件，用户可以通过登录Web浏览器浏览电能表自动化检定系统中各个单元组件中的能耗情况。系统可以扩展使用，经过扩展后的能效管理系统可以互联网远程访问。数据管理中心层能够实现与上层信息管理系统层的联网运行，工作流与资产流进行无缝管理。网络接入方式优先采用优先专网方式接入上层信息管理系统层，可选择3G/4G公网无线通讯方式加主站系统作为备选配置方案。

在数据应用层中，上层信息管理系统层配置应用服务器、数据库服务器等设备，对外提供营销系统、生产调度系统的接口，对内（本地的操作人员）提供WEB交互界面。实时监控及调度数据管理中心层配置前置服务器，一方面监控各检测设备底层是否工作正常，发现异常可对外报警，另一方面可上层信息管理系统层下发的指令，转发给各设备，并负责协调各设备的动作，共同完成特定的任务。实现计量生产调度平台、SG186营销信息管理系统的数据交換，实现电能表自动化检测系统以及各个装置的电能数据采集、统计汇总、数据上传等业务功能。上层信息管理系统层是对各级数据管理中心层统一管理的系统层，能够接收电能表自动化检定系统各个单元、不同阶段的功耗检测的数据，并对检测的功耗数据进行接收、存储、处理、分类等，还能向各个国家电网、计量中心、检测单位、电能管理部门上报能效状况。该结构层还能够为用户提供统一的管理平台，为现场检测人员提供远程指示、远程监控，还供其能效数据查询、调取、分析等功能，为电能计量工作提供健全的能耗数据查询服务。

在上层信息管理系统层中，可安装能效管理专用软件，负责辖区内的电能表自动化检定系统以及检定系统内的各个检定单元的能效管理。系统具有智能表库系统具有工单管理、档案信息管理、检定系统信息管理、资产管理、检定装置管理、报表统计、系统管理和数据报表显示、数据分析等功能。其支持常用的主流数据库，比如Oracle数据库、Microsoft SQL Server数据库等，系统还具有可扩展性等。在本设计中，数据应用层与数据检测层之间通过通讯模块进行通讯，下文将详细描述。

2   关键技术设计

2.1   通讯模块设计

设计出具有加密功能的通讯模块，通讯模块包括模块本体、通讯接口单元、加密单元，其中加密模块包含密钥单元、密钥分发单元和密钥认证单元组成。加密模块设置在模块本体内部，通讯模块外形结构如图2所示。

通讯模块能够采用RFID技术实现互联网通讯，模块本体上还设置有应答器，应答器与阅读器能够实现信息互通。通讯模块具有数据收发的多种传输方式，其具有灵活、可实现点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式，通讯模块通过无线通讯的方式实现远距离数据传输。然后通过信号转化装置（信号转化装置内通常设置有A/D转换单元）将其收到的模拟数据信号转化成计算机能够识别的数字电信号。

通讯模块通过加密单元实现数据的加密和解密。其结构示意图如图3所示。

加密单元中包含有秘钥，在设计秘钥时，要考虑密钥的长度、秘钥排列的顺序及其复杂程度，这种方式能够促进物联网通讯设备的安全性。当通讯模块中加密模块的密钥单元的密钥长度较短时，容易无力抵抗外界通讯干扰，当通讯模块中加密模块的密钥单元的密钥长度较长时，则容易占用较多的存储区域，这能够大大降低网络连通能力。在加密单元，密钥可以包括对称密钥、非对称密钥、椭圆曲线秘钥等。在实际应用中，用户应该根据各种不同的通信状况来选择比较合适的密钥。秘钥认证单元在认证时，通讯模块内部的密钥由秘钥分发单位进行认证，再秘钥认证成功后，密钥认证单元会生成秘钥认证指令，并将该指令传输给秘钥认证单元，秘钥认证单元在规定时间内验证用户所选择的不同密钥。加密过程可用公式（1）来表示：

假设使用的密钥加密为 E，比如对称秘钥，最终所设计出的密钥为 Kab，通讯模块输出的信息量为M，则加密后的通讯模块的通信信息为Y，则

将加密后的通讯模块进行信息分级，假设级数为 n，则各个级别的信息量用Cn表示，则：

在上述公式中：i表示信息块标志，seq表示收发单位间的会话次序，Ti表示时间戳。会话次序和信息块标志能够重新排列接收单位信息，时间戳能够增强通讯模块加密单元的防御性能，提高通讯过程中的安全性能。

2.2   远程通讯技术

通讯为ZigBee无线传感器网络结合GPRS的远程监控。在无线网络中的ZigBee/GPRS无线数据集中器节点中，由GPRS模块与远程计算机建立TCP/IP连接，并连接到Internet网络，从而构建出电能计量物联网通讯系统。通讯原理示意图如图4所示。

文中使用ZigBee通信协议，其数据传输模块与移动网络基站有些类似。在使用过程中，传输数据较为安全，在ZigBee网络中，最多能够容纳65000个节点。利用ZigBee工作的无线设备在 868MHz、915MHz 和 2.4GHz 频段具有传播速率为250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s，通信距离从标准的75m到几百米、几千米，并支持无限扩展。其中ZigBee/GPRS无线数据通讯的集中器结构示意图如图5所示。

在底层通讯网络中，ZigBee/GPRS无线数据集中器能够实现底层ZigBee网络的组建和网络管理功能，ZigBee网络具有自组织能力，彼此节点之间能够自动寻找互联互通的ZigBee网络，然后通过无线数据集中器的GPRS模块和无线网络运营商上的基站来连接Internet互联网，从而实现电能计量数据的远程数据的监控。

2.3   软件设计

在嵌入式Linux平台下进行程序设计，在进行软件设计时，应用C语言来编写不同数据传输方式。在无线数据采集与传输时，其应用软件为CC2530配套免费的Z-Stack协议栈2007版本。该协议栈内部自带操作系统，上位机程序设计采用美国 NI公司的图形化语言Labview8.5软件，该软件功能较为强大，能够支持RS232和RS485协议通信，内置电能表检测的库函数。检测方法示意图如图6所示。

3   实验分析与验证

为验证电能计量的准确性、正确性和可靠性，选取三相电能表计量装置为本文设计方案实验本体，在该装置中设置通讯模块作为监测对象，在试验装置上配置通讯模块，为了演示通讯效果，在距离实验室每100 m的地方设置路由节点，并在路由器的交汇处设置协调节点，以对模块的通讯性能进行测试。同时，采用高精度功率分析仪对电能计量装置上的通讯模块进行测试。在实验时，通过本文设计技术方案的通讯模块对三相电能表的电流、电压、有功功率、无功功率、安全性等參数进行误差评估，并基于Zig-bee无线网络、3G通信网络进行通讯，在试验过程时，测试数据如表1所示。

将该电能计量装置利用本技术方案测量三种电能表，其测量功率的结果与标准功率值进行比较。根据误差的计算公式，能够计算出电能质量的误差。根据计算可得，该系统测得的电能参数误差。功率误差因数小于10%。然后利用上述方案进行2小时、5小时、10小时以及20小时测量，随着时间的延长，误差率逐步降低，最高的准确度99.9%。

4   结   论

基于电能计量实现物联网数据通讯，对通讯模块进行了研究，通过使用本设计的通讯模块，其不仅能够实现电能计量数据的远程通讯，还能够实现通讯数据的加密，大大提高了数据的安全传输能力。本设计的通讯模块硬件结构合理，适于在各种场合安装，兼容性、适用性比较强。在数据通讯时，采用ZigBee/GPRS无线数据集中器来实现底层ZigBee网络的组建和网络管理功能，实现远距离数据通讯，便于用户远程监控电能表检测数据。

参 考 文 献

[1]    沈鑫，赵丹妮，曹敏. 基于物联网技术的电能计量装置远程在线监测及分析平台研究[J]. 电测与仪表，2015，52（z1）：43-48.

[2]    杜锦阳. 物联网技术的电能计量装置远程在线监测及平台建设研究[J]. 中国高新技术企业，2016（23）：16-17.

[3]    沈鑫，曹敏，李仕林，等. 基于物联网技术的电能计量网络图信息化及配电营销系统应用研究[J]. 中国电业（技术版），2015（9）：116-119.

[4]    依溥治. 基于物联网的远程抄表系统的设计与实现[D]. 哈尔滨：东北林业大学，2015（11）：1-70.

[5]    唐明军，潘建华. 基于ZigBee的电能无线抄表系统的设计[J]. 物联网技术，2015，5（11）：26-27.

[6]    郭燕青. 基于可见光通信的物联网门禁系统设计与实现[D]. 南京：南京邮电大学，2016（02）：1-85.

[7]    赵洁，杨剑. 物联网多设备通信中的加密模块设计与实现[J]. 现代电子技术，2016，39（18）：69-72.

[8]    蔡丽娜. 基于物联网的养老管理系统设计与实现[D]. 杭州：浙江工业大学，2015.

[9]    张泰，顾晓峰，张大维，等. 基于电力线载波通信的智能用电管理系统设计[J]. 现代电子技术，2016，39（4）：149-152.

[10]  张喜生，岑宏杰. 一种物联网能耗监测计量终端的设计[J]. 深圳职业技术学院学报，2015（1）：7-11.

[11]  张大品，欧清海，何业慎，等. 基于物联网的电网智能节能量测量方法及实现[C]// 数字中国 能源互联--2018电力行业信息化年会论文集，2018.

[12]  张罗平，赵伟，高峰，等. 一种智能插座及其控制方法，CN107017530A[P]. 2017.

[13]  滕海坤，刘心声，李伦彬. 基于RTSJ的物联网智能网关研究[J]. 盐城工学院学报（自然科学版），2018，31（1）：30-35.

[14]  杨小国，余毅. 基于物联网的智能实验教学系统设计与实现[J]. 河北软件 职业技术学院学报，2018，20（4）：1-3.