中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司 郭志彪
電表是電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的基本設(shè)備,擔(dān)負(fù)著電能數(shù)據(jù)采集、計(jì)量和顯示的任務(wù),國(guó)內(nèi)通常將采用微處理器的電子式多功能電能表定義為智能電表。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè),對(duì)電表的功能提出了更高的要求:不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)原始電能數(shù)據(jù)的采集、計(jì)量和顯示,還將通信功能(采用ZigBee、GSM/GPRS、3G/4G、電力載波等通信技術(shù))引入到智能電表中,實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)信息的傳輸,在電力公司、用戶和電表三者間的交互數(shù)據(jù),除了讓電力用戶能及時(shí)、準(zhǔn)確地了解其用電信息以外,還要幫助用戶降低用電成本、優(yōu)化用電方案、實(shí)施能效管理。
文獻(xiàn)[1]提出了一種基于3G通信的物聯(lián)網(wǎng)電表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,由多個(gè)智能電表與電力管理中心數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)構(gòu)成,以實(shí)現(xiàn)電力公司、電力用戶、電表三者間的多方數(shù)據(jù)交互,但方案并沒(méi)考慮3G通信成本的攤銷(xiāo)模式、以及如何實(shí)現(xiàn)在大規(guī)模分布式部署情況下后臺(tái)數(shù)據(jù)管理中心的高可用性。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于GSM和ZigBee的智能電表的研制,該表可以測(cè)量能量并將信息發(fā)送給服務(wù)提供商,服務(wù)提供商可以通過(guò)SMS消息和互聯(lián)網(wǎng)提醒最終用戶,以達(dá)到在沙特阿拉伯日益增長(zhǎng)的電能需求背景下,起到降低整個(gè)社會(huì)能耗的效果。
本文提出一種MQTT協(xié)議、NB-IOT和云端控制的智能電表方案,不僅實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電表運(yùn)行狀態(tài),而且通過(guò)對(duì)用戶歷史用電信息的分析,幫助用戶進(jìn)行用電方案優(yōu)化、降低用電成本、實(shí)施能效管理。
該智能電表系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由電腦或手機(jī)、云服務(wù)器、智能電表組成。智能電表采集多達(dá)7種用電數(shù)據(jù),包括電壓、電流、相位、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、度數(shù)等物理量與云服務(wù)器進(jìn)行通信,按照MQTT通信協(xié)議將以上用電數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器中;電腦或手機(jī)可以登錄MQTT客戶端訂閱云服務(wù)器發(fā)送的電表當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息。本系統(tǒng)支持導(dǎo)出用電數(shù)據(jù)報(bào)表,通過(guò)對(duì)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和匯總,用戶可以看到詳細(xì)的用電曲線,為用戶采取節(jié)能措施提供建議。
NB-IOT通信模組采用BC95,支持中國(guó)移動(dòng)900MHZ等的不同細(xì)分型號(hào),BC95原理圖如圖2所示。
圖1 整體方案框架
BC95的功耗如表1所示。
表1 -BC模塊耗流
綜合考慮到用戶體驗(yàn)、低功耗等因素,本應(yīng)用場(chǎng)景中,只有當(dāng)用電情況發(fā)生變化時(shí),智能電表才發(fā)送用電數(shù)據(jù)至云服務(wù)器,大多數(shù)情況下NB-IoT模塊處于PSM睡眠狀態(tài)。
NB-IoT有以下特點(diǎn):
1、功耗低:由表1可以看出NB-IoT模塊有三種工作狀態(tài),在IDLE模式下典型電流值為6mA,在PSM模式下最大電流值為5uA。根據(jù)仿真計(jì)算,3Wh的電池每天發(fā)送200bytes的數(shù)據(jù),預(yù)計(jì)可使用7.5年。
圖2 -BC95芯片組原理圖
2、覆蓋廣:在同樣的頻段下,NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積擴(kuò)大100倍,增益20dB。對(duì)于高層住宅樓梯間、電表房等網(wǎng)絡(luò)條件不好的智能電表部署場(chǎng)合,NB-IoT比現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)裝置更適合于部署。
3、大連接數(shù): NB-IoT一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接,比現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。意味著用戶在一個(gè)不太大的空間,可以放置更多設(shè)備而互相之間不會(huì)有干擾。
4、低成本:?jiǎn)蝹€(gè)連接模塊的預(yù)期價(jià)格不超過(guò)5美元,甚至?xí)椭?美元。由于低功耗、大連接等特點(diǎn),供電、通訊運(yùn)營(yíng)成本都比其他無(wú)線裝置便宜。
由MCU與計(jì)量芯片共同構(gòu)成主控與電量計(jì)量模塊(如圖3),MCU采用STM32L151C8T6(如圖4),與核心的NB-IOT通信模塊連接。
圖3 主控與電量計(jì)量模塊
電能計(jì)量芯片采用高精度單相多功能免校準(zhǔn)芯片CSE7766(如圖3),該芯片工作電壓5V,無(wú)需搭建復(fù)雜的外圍元器件電路,支持IEC 687/1036標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)標(biāo)GB/T 17215,在1000:1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.2%。該芯片出廠時(shí)已經(jīng)校準(zhǔn),客戶無(wú)需任何設(shè)置就可以通過(guò)串口直接讀取電壓、電流等相關(guān)參數(shù)。
圖4 MCU主控電路
電源電路設(shè)計(jì)原理如圖5,采用的電壓器為220AC轉(zhuǎn)12VAC,整流橋?yàn)?0A 1000V,電容為100UF 6V 以及100UF 16V,穩(wěn)壓器為L(zhǎng)7805CV 三端穩(wěn)壓器5V。
圖5 電源電路圖
在智能電表終端,首先將UCOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、LWIP協(xié)議棧以及MQTT源碼移植到STM32L151C8T6。LWIP作為UCOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)任務(wù)運(yùn)行,應(yīng)用程序作為另一個(gè)單獨(dú)任務(wù)讀取電表數(shù)據(jù),通信數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收和處理的過(guò)程不會(huì)影響智能電表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電信息。
MQTT協(xié)議作為T(mén)CP/IP協(xié)議分層模型中應(yīng)用層協(xié)議,實(shí)現(xiàn)訂閱/發(fā)布機(jī)制和端到端的通信。發(fā)布/訂閱消息模式就是發(fā)布者和訂閱者兩個(gè)客戶端不直接交互數(shù)據(jù),而是通過(guò)MQTT協(xié)議與MQTT消息代理者通信來(lái)實(shí)現(xiàn)間接交互消息,其中QoS表示發(fā)布的服務(wù)質(zhì)量。在本系統(tǒng)中,智能電表是消息發(fā)布者,云服務(wù)器就相當(dāng)于MQTT消息代理,智能電表將用電信息推送到云服務(wù)器,手機(jī)或電腦終端可以向云服務(wù)器發(fā)出訂閱請(qǐng)求以獲取消息。
智能電表程序運(yùn)行時(shí),首先初始化UCOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、LWIP協(xié)議棧和MQTT協(xié)議,建立MQTT連接之后發(fā)送包含狀態(tài)信息的MQTT報(bào)文,實(shí)現(xiàn)連接、發(fā)布、訂閱等功能。智能電表狀態(tài)信息內(nèi)容為“報(bào)文頭/設(shè)備ID/報(bào)文類型/狀態(tài)信息/時(shí)間戳”。設(shè)備ID用于區(qū)分智能電表終端,一個(gè)云服務(wù)器可以與多個(gè)智能電表終端通信,狀態(tài)信息報(bào)文以 30s/次的發(fā)送頻率發(fā)送,且QoS級(jí)別為0級(jí)。報(bào)文示例為:“R/sbid0003/STATUS/S1/00/S2/00/S3/00/S4/0/S5/0/S6/0/S7/0/20180528215900”,其中S1~S7表示電表運(yùn)行的7種參數(shù):電壓、電流、相位、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、度數(shù)。
為驗(yàn)證本設(shè)計(jì),以移遠(yuǎn)LTE BC95模塊及中國(guó)移動(dòng)NB-IOT物聯(lián)卡(850MHZ頻段)來(lái)進(jìn)行原型測(cè)試,如圖6所示,測(cè)試結(jié)果顯示,NB-IOT平均數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為2-5秒之間。
圖6 NB-IOT調(diào)試界面
Mosquito是一款實(shí)現(xiàn)了MQTT V3.1協(xié)議的開(kāi)源消息代理軟件,支持可發(fā)布/可訂閱的消息推送模式。在電腦上可通過(guò)Mosquito_sub向云服務(wù)器訂閱指定主題的消息,云服務(wù)器中數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)保存所監(jiān)控的全部智能電表運(yùn)行狀態(tài)信息的消息,在電腦終端,用戶可通過(guò)登錄MQTT客戶端來(lái)查看智能電表歷史記錄和當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。
本文基于MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)了一種成本低廉、穩(wěn)定可靠的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程智能電表,其主要優(yōu)勢(shì)如下:
1、目前國(guó)內(nèi)部分智能電表采用RS485或Zigbee等無(wú)線方式來(lái)組網(wǎng)。其中RS485通信方式雖然成本略低,但組網(wǎng)的電表終端數(shù)量和范圍有限,且通信速度比較慢;而Zigbee等方式成本較高,且通信質(zhì)量不穩(wěn)定。本智能電表方案采用NB-IOT模塊,具有低功耗、大鏈接、廣覆蓋、低成本等優(yōu)勢(shì)。
2、本方案采用MQTT協(xié)議作為通信協(xié)議,為低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的智能電表提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。MQTT協(xié)議使用發(fā)布/訂閱消息模式,使用發(fā)布/訂閱消息模式,提供一對(duì)多的消息發(fā)布,解除應(yīng)用程序耦合;其次,它有三種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量,可以避免消息丟失;再次,MQTT是小型傳輸,固定長(zhǎng)度的頭部只有兩個(gè)字節(jié),只需要HTTP約 1/4的數(shù)據(jù)流量,可以降低網(wǎng)絡(luò)流量、節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。以上這些優(yōu)點(diǎn)使得本智能電表方案更穩(wěn)定可靠、成本低廉,推廣應(yīng)用前景更為廣泛。