實現電能計量的物聯網通訊模塊設計與研究

孫健 易欣 姚鵬 曾緯 袁銘敏

摘? ?要：針對電能計量裝置檢測電能表通訊技術的不足，提出新型的電能計量物聯網通訊方案，并設計出新型的物聯網通訊模塊。該模塊設計結構合理，適用范圍廣，滿足多種不同類型的物聯網通訊模塊的需要，并且該模塊內部設置有加密單元，能夠提高數據傳輸的安全性能。還采用ZigBee無線傳感器網絡和GPRS實現無線通訊遠程監控，通過在無線網絡中的ZigBee/GPRS無線數據集中器節點中，基于GPRS模塊與遠程計算機建立TCP/IP連接，與Internet網絡構成信息網絡。實驗表明，采用本設計的物聯網通訊模塊進行數據通訊能夠提高電能表檢測精度，提高了電能表數據檢測的可靠性。

關鍵詞：電能計量;物聯網;ZigBee;GPRS模塊

中圖分類號： TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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，隨著我國科技發展速度的不斷加快，通訊裝置的不斷改進與升級[1-3]，通訊裝置不僅僅用于簡單的信息傳輸媒介，同時也運用于其他各個領域[4-5]，諸如電能計量技術領域，通過通訊模塊將電能計量裝置檢測電能表的數據傳遞到計算機和上層管理系統，俗稱物聯網[6-7]。物聯網技術是基于現有的互聯網技術，但是涉獵廣泛，在多個領域均有應用。通過通訊模塊能夠實現對智能電能表檢定數據的通訊，實現電能表檢定數據的遠程管理是目前電測領域中急需解決的問題[8-9]。

目前現有的通訊模塊只是進行簡單的信息傳輸，數據安全性能較差[10]，難以實現電能表檢定數據的安全、遠距離傳輸[11-14]，使得電能檢定人員難以遠程監控、管理電能表檢定數據。設計出一種新型的物聯網通訊技術傳輸方案，不僅能夠實現數據的遠距離傳輸，還使數據的安全性能大大增加。

1? ?通訊方案設計

通過對電能計量的物聯網通訊方案進行設計與研究，設計出能夠進行物聯網通訊的傳輸方案，如圖1所示。在本系統方案設計中，可將其分為數據應用層、數據通訊層和數據檢測層。通過該系統設計實現電能表檢定系統的電能檢測的自動化、網絡化、實時化，并且能夠實現電能表自動化檢定系統數據通訊的最優化、智能化和信息化。本系統中的通訊方案采用物聯網技術實時檢測底層設備（檢測系統各個檢定單元）的運行狀態、耗能狀態，能夠及時、準確地掌握電能使用狀況，支持能效優化與節能改造，綜合分析耗能情以便合理地進行資源配置，優化生產流程，保障檢定系統的有效運行。

在數據檢測層中，檢測設備底層是直接從電能表自動化檢定系統現場中采集數據，比如單相電能表、三相電能表、功率表等工作狀態數據，其主要負責能源用量的實時檢測，反映線路中的最原始的能耗數據或者其它運行數據。檢測系統主要包含物流輸送系統、機器人、耐壓檢測、外觀檢測、誤差檢定裝置、機器人上下料系統、PLC控制系統、表位單元等檢測單元，每個檢測單元均有電能消耗。數據管理中心層用于對整個轄區內的電能表自動化檢定系統及其組件進行能耗數據采集，采用符合國家電能計量能耗監測技術將電能檢測裝置接入電能表自動化檢定系統及要檢測的地方，在具體操作中可使用功率表，比如將功率表接入在電能輸出端以便檢測電能輸出的功率，接入在周轉箱輸送系統處以檢測其處的功耗，接入在機器人處以檢測機器人處功耗，以及接入在檢定輸送線、PLC控制電源、檢定裝置、各個檢測表位等，這個就可以得出各個不同單元處的功耗，由已知的總輸出功率和各個單元處的功率，可得出各個單元組件功耗，通過各個單元的功耗，可對電能表自動化檢定系統進行整體的資源配置和合理的調整，及時節約能源和成本。在數據管理中心層可以采用B/S構件，用戶可以通過登錄Web瀏覽器瀏覽電能表自動化檢定系統中各個單元組件中的能耗情況。系統可以擴展使用，經過擴展后的能效管理系統可以互聯網遠程訪問。數據管理中心層能夠實現與上層信息管理系統層的聯網運行，工作流與資產流進行無縫管理。網絡接入方式優先采用優先專網方式接入上層信息管理系統層，可選擇3G/4G公網無線通訊方式加主站系統作為備選配置方案。

在數據應用層中，上層信息管理系統層配置應用服務器、數據庫服務器等設備，對外提供營銷系統、生產調度系統的接口，對內（本地的操作人員）提供WEB交互界面。實時監控及調度數據管理中心層配置前置服務器，一方面監控各檢測設備底層是否工作正常，發現異常可對外報警，另一方面可上層信息管理系統層下發的指令，轉發給各設備，并負責協調各設備的動作，共同完成特定的任務。實現計量生產調度平臺、SG186營銷信息管理系統的數據交換，實現電能表自動化檢測系統以及各個裝置的電能數據采集、統計匯總、數據上傳等業務功能。上層信息管理系統層是對各級數據管理中心層統一管理的系統層，能夠接收電能表自動化檢定系統各個單元、不同階段的功耗檢測的數據，并對檢測的功耗數據進行接收、存儲、處理、分類等，還能向各個國家電網、計量中心、檢測單位、電能管理部門上報能效狀況。該結構層還能夠為用戶提供統一的管理平臺，為現場檢測人員提供遠程指示、遠程監控，還供其能效數據查詢、調取、分析等功能，為電能計量工作提供健全的能耗數據查詢服務。

在上層信息管理系統層中，可安裝能效管理專用軟件，負責轄區內的電能表自動化檢定系統以及檢定系統內的各個檢定單元的能效管理。系統具有智能表庫系統具有工單管理、檔案信息管理、檢定系統信息管理、資產管理、檢定裝置管理、報表統計、系統管理和數據報表顯示、數據分析等功能。其支持常用的主流數據庫，比如Oracle數據庫、Microsoft SQL Server數據庫等，系統還具有可擴展性等。在本設計中，數據應用層與數據檢測層之間通過通訊模塊進行通訊，下文將詳細描述。

2? ?關鍵技術設計

2.1? ?通訊模塊設計

設計出具有加密功能的通訊模塊，通訊模塊包括模塊本體、通訊接口單元、加密單元，其中加密模塊包含密鑰單元、密鑰分發單元和密鑰認證單元組成。加密模塊設置在模塊本體內部，通訊模塊外形結構如圖2所示。

通訊模塊能夠采用RFID技術實現互聯網通訊，模塊本體上還設置有應答器，應答器與閱讀器能夠實現信息互通。通訊模塊具有數據收發的多種傳輸方式，其具有靈活、可實現點對點、一點對多點及全局廣播等多種傳輸方式，通訊模塊通過無線通訊的方式實現遠距離數據傳輸。然后通過信號轉化裝置（信號轉化裝置內通常設置有A/D轉換單元）將其收到的模擬數據信號轉化成計算機能夠識別的數字電信號。

通訊模塊通過加密單元實現數據的加密和解密。其結構示意圖如圖3所示。

加密單元中包含有秘鑰，在設計秘鑰時，要考慮密鑰的長度、秘鑰排列的順序及其復雜程度，這種方式能夠促進物聯網通訊設備的安全性。當通訊模塊中加密模塊的密鑰單元的密鑰長度較短時，容易無力抵抗外界通訊干擾，當通訊模塊中加密模塊的密鑰單元的密鑰長度較長時，則容易占用較多的存儲區域，這能夠大大降低網絡連通能力。在加密單元，密鑰可以包括對稱密鑰、非對稱密鑰、橢圓曲線秘鑰等。在實際應用中，用戶應該根據各種不同的通信狀況來選擇比較合適的密鑰。秘鑰認證單元在認證時，通訊模塊內部的密鑰由秘鑰分發單位進行認證，再秘鑰認證成功后，密鑰認證單元會生成秘鑰認證指令，并將該指令傳輸給秘鑰認證單元，秘鑰認證單元在規定時間內驗證用戶所選擇的不同密鑰。加密過程可用公式（1）來表示：

假設使用的密鑰加密為 E，比如對稱秘鑰，最終所設計出的密鑰為 Kab，通訊模塊輸出的信息量為M，則加密后的通訊模塊的通信信息為Y，則

將加密后的通訊模塊進行信息分級，假設級數為 n，則各個級別的信息量用Cn表示，則：

在上述公式中：i表示信息塊標志，seq表示收發單位間的會話次序，Ti表示時間戳。會話次序和信息塊標志能夠重新排列接收單位信息，時間戳能夠增強通訊模塊加密單元的防御性能，提高通訊過程中的安全性能。

2.2? ?遠程通訊技術

通訊為ZigBee無線傳感器網絡結合GPRS的遠程監控。在無線網絡中的ZigBee/GPRS無線數據集中器節點中，由GPRS模塊與遠程計算機建立TCP/IP連接，并連接到Internet網絡，從而構建出電能計量物聯網通訊系統。通訊原理示意圖如圖4所示。

文中使用ZigBee通信協議，其數據傳輸模塊與移動網絡基站有些類似。在使用過程中，傳輸數據較為安全，在ZigBee網絡中，最多能夠容納65000個節點。利用ZigBee工作的無線設備在 868MHz、915MHz 和 2.4GHz 頻段具有傳播速率為250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s，通信距離從標準的75m到幾百米、幾千米，并支持無限擴展。其中ZigBee/GPRS無線數據通訊的集中器結構示意圖如圖5所示。

在底層通訊網絡中，ZigBee/GPRS無線數據集中器能夠實現底層ZigBee網絡的組建和網絡管理功能，ZigBee網絡具有自組織能力，彼此節點之間能夠自動尋找互聯互通的ZigBee網絡，然后通過無線數據集中器的GPRS模塊和無線網絡運營商上的基站來連接Internet互聯網，從而實現電能計量數據的遠程數據的監控。

2.3? ?軟件設計

在嵌入式Linux平臺下進行程序設計，在進行軟件設計時，應用C語言來編寫不同數據傳輸方式。在無線數據采集與傳輸時，其應用軟件為CC2530配套免費的Z-Stack協議棧2007版本。該協議棧內部自帶操作系統，上位機程序設計采用美國 NI公司的圖形化語言Labview8.5軟件，該軟件功能較為強大，能夠支持RS232和RS485協議通信，內置電能表檢測的庫函數。檢測方法示意圖如圖6所示。

3? ?實驗分析與驗證

為驗證電能計量的準確性、正確性和可靠性，選取三相電能表計量裝置為本文設計方案實驗本體，在該裝置中設置通訊模塊作為監測對象，在試驗裝置上配置通訊模塊，為了演示通訊效果，在距離實驗室每100 m的地方設置路由節點，并在路由器的交匯處設置協調節點，以對模塊的通訊性能進行測試。同時，采用高精度功率分析儀對電能計量裝置上的通訊模塊進行測試。在實驗時，通過本文設計技術方案的通訊模塊對三相電能表的電流、電壓、有功功率、無功功率、安全性等參數進行誤差評估，并基于Zig-bee無線網絡、3G通信網絡進行通訊，在試驗過程時，測試數據如表1所示。

將該電能計量裝置利用本技術方案測量三種電能表，其測量功率的結果與標準功率值進行比較。根據誤差的計算公式，能夠計算出電能質量的誤差。根據計算可得，該系統測得的電能參數誤差。功率誤差因數小于10%。然后利用上述方案進行2小時、5小時、10小時以及20小時測量，隨著時間的延長，誤差率逐步降低，最高的準確度99.9%。

4? ?結? ?論

基于電能計量實現物聯網數據通訊，對通訊模塊進行了研究，通過使用本設計的通訊模塊，其不僅能夠實現電能計量數據的遠程通訊，還能夠實現通訊數據的加密，大大提高了數據的安全傳輸能力。本設計的通訊模塊硬件結構合理，適于在各種場合安裝，兼容性、適用性比較強。在數據通訊時，采用ZigBee/GPRS無線數據集中器來實現底層ZigBee網絡的組建和網絡管理功能，實現遠距離數據通訊，便于用戶遠程監控電能表檢測數據。

參 考 文 獻

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